Letteratura scientifica selezionata sul tema "Élastographie par résonance magnétique – Innovation"

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

Les propriétés mécaniques des tissus biologiques sont des paramètres importants en médecine : ce sont des biomarqueurs du fonctionnement normal ou pathologique d'un tissu. En effet, ces propriétés peuvent être affectées par certaines conditions mécaniques telles que l'application d'une contrainte externe, comme l'hypertension ou un traumatisme, mais également par la présence de certaines maladies, telles que le cancer, la fibrose, l'inflammation, la maladie d'Alzheimer, ou bien tout simplement avec l'âge. La palpation réalisée par le médecin permet de discerner ces changements mais ce geste est qualitatif et ne peut accéder à des organes profonds. L'élastographie-IRM reste une méthode quantitative, robuste, d'une grande précision, qui permet de sonder l'élasticité et la viscosité des tissus. Elle consiste à mesurer le champ de déplacement d'une onde de cisaillement induite dans l'organe ciblé par une technique IRM en contraste de phase. Les modules viscoélastiques sont alors déduits après inversion de l'équation d'onde. Malgré cela, la justesse de cette technique n'a pas encore été pleinement établie. L'élastographie-IRM est en cours d'implémentation en routine clinique sur des patients atteints de maladies hépatiques chroniques ou bien pour caractériser des tumeurs dans le cas de cancer du sein. L'application aux autres organes protégés, tels que le cerveau ou les poumons, reste encore du domaine de la recherche à cause de la difficulté d'y induire des ondes mécaniques (protection naturelle de la boîte crânienne ou de la cage thoracique). C'est dans ce contexte qu'intervient un volet de mon travail de thèse : la mise en place, la caractérisation et l'optimisation d'un système induisant des ondes mécaniques dans les organes profonds. L'approche originale suivie a été d'utiliser les voies naturelles permettant d'amener l'onde de pression aux poumons ou bien à l'encéphale, différente des approches classiques consistant à traverser les barrières protectrices. Ce générateur d'onde de pression nous a permis d'obtenir des amplitudes d'onde allant de 6 µm à 30 µm dans l'ensemble du cerveau, amplitudes suffisantes afin d'en déduire les modules viscoélastiques du cerveau entier. D'autre part, un travail important s'est attaché à la réalisation d'un schéma original de correction des mouvements du patient en élastographie-IRM. Nous avons mis en évidence comment ces mouvements peuvent entraîner une discordance des composantes du champ de déplacement, nécessitant alors d'être corrigées. La correction proposée est composée d'une première étape dont la finalité est de recaler spatialement l'ensemble des volumes acquis, puis d'une seconde étape permettant de rétablir les composantes du champ de déplacement dans la même base orthonormée. Nous avons évalué numériquement et expérimentalement le biais induit quand aucunes corrections n'étaient appliquées sur ces données ainsi que l'apport de ces deux étapes de correction. Un travail préliminaire sur l'étude de la reproductibilité des acquisitions (phase en particulier) a été nécessaire. Enfin, l'ensemble des résultats de ces deux volets nous ont permis de réaliser des acquisitions d'élastographie du cerveau complet et d'obtenir des cartes du champ de déplacement de qualité. Ainsi, nous avons pu montrer la tendance des ondes mécaniques à suivre les directions privilégiées des fibres du cerveau, résultats que nous avons commencé à confronter aux observations faites en DTI.

L'élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique d'imagerie, reconnue comme une méthode pertinente pour la caractérisation mécanique des tissus humains in vivo. Celle-ci représente un intérêt fondamental en diagnostic clinique car le développement d'un processus pathologique s'accompagne la plupart du temps d'altérations des propriétés mécaniques des tissus atteints. L'ERM consiste à enregistrer le champ de déplacement induit au passage d'une onde de cisaillement généré dans le milieu étudié. Les paramètres mécaniques comme la vitesse, v, et les modules de viscoélasticité de cisaillement, G' et G'', peuvent être cartographiés. La quantification des paramètres mécaniques dépend à la fois de la fréquence mécanique, fexc, de la taille de voxel, a, de l'amplitude des champs de déplacement induits, A, de l'amplitude du rotationnel du champ de déplacement, q, des erreurs de mesure, ΔA et Δq, donc du rapport signal à bruit, RSB, et enfin de la méthode de reconstruction. En inversant les équations différentielles du champ de déplacement acquis selon les trois dimensions de l'espace, ces paramètres ont été considérés pour déterminer la précision et l'exactitude des modules mécaniques obtenus et établir les conditions de validité de l'ERM. Dans cette thèse, nous avons tout d'abord considéré A et A/ΔA afin de définir un premier seuil de validité pour l'ERM. Nous avons étudié l'influence de ces deux paramètres sur un fantôme hétérogène dans un appareil IRM 1,5 T avec deux types d'antennes. Dans une première étude, les champs de déplacement ont été acquis en fonction de A en utilisant deux séquences écho de spin (RFE) et écho de gradient (FFE) sensibilisées au mouvement pour une taille de voxel isotrope de 1 mm. Dans une seconde étude, ils ont été acquis en RFE en fonction de A pour trois résolutions spatiales différentes. Ces études ont révélé l'existence d'un seuil en A/ΔA au-delà duquel les paramètres extraits (G', G'') atteignent un plateau et l'ERM est fiable. Nous avons ensuite considéré le nombre de voxel par longueur d'onde, λ/a, comme paramètre déterminant des conditions de validité de l'ERM et nous avons caractérisé la qualité des données acquises par le rapport q/Δq. Sur des simulaitons dans un milieu élastique, homogène et isotrope avec un RSB variant entre 5 et 30, la précision et l'exactitude des mesures se sont avérées optimales pour 6 à 9 voxels par longueur d'onde. Nous avons reproduit expérimentalement à 2 kHz les conditions des siimulations sur un fantôme de PVA. Les champs de déplacement ont été acquis à 11,7 T en utilisant une séquence RFE sensibilisée au mouvement pour des résolutions spatiales de 150 μm à 300 μm afin de balayer le rapport λ/a de 1 à 20. Les résultats expérimentaux confirment pleinement les prédictions de la simulation. La vitesse de cisaillement diminue et tend vers la vitesse de référence attendue lorsque l'acquisition est réalisée dans le domaine optimal, à savoir ici lorsque a est inférieure ou égale à 200 μm. En outre la dispersion de la vitesse est réduite dans le domaine optimal et des estimations plus précises des paramètres mécaniques ont pu être déduites. Cette thèse montre d'une part que la précision et l'exactitude de l'ERM sont optimales lorsque les acquisitions sont réalisées ou traitées pour un domaine d'échantillonnage de la longueur d'onde déterminé par le RSB. Elle montre d'autre part que la comparaison des résultats obtenus doit être menée dans une gamme similaire de q/Δq. La prise en compte des conditions de validité de l'ERM, déterminées par les rapports λ/a et q/Δq, conduit à une mesure quantitative effective des paramètres mécaniques. Il est ainsi possible d'envisager un diagnostic clinique pertinent au sein d'un même organe, d'un même sujet, entre sujets ou au cours du temps
Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a imaging technique, recognized as a pertinent method for the mechanical characterization of human tissue in vivo. It offersa particular interest in clinical diagnosis because the development of a pathological process is often accompanied by modifications of the mechanical properties of diseased tissues. MRE consists of recording, along the three spatial dimensions, the displacement field induced by the propagation of a shear wave generated by excitation of the investigated tissue. Mechanical parameters such as shear wave velocity, v, and shear moduli, G' and G'', can then be mapped. The quantification of the mechanical parameters depends on the frequency of the mechanical excitation, fexc, the spatial resolution, a, the amplitude of the induced displacement field, A and the amplitude of the curl field displacement, q, with associated measurement errors, ΔA and Δq, (related to the signal-to-noise ratio, SNR) and finally the reconstruction method. All these parameters were considered to determine the precision and the accuracy of the estimated mechanical moduli and to establish the conditions of validity of MRE following the inversion of the differential equations of the displacement field. In this work, first A and A/ΔA were considered to define a validity threshold for MRE. The influence of A and A/ΔA was studied on a heterogeneous phantom acquired using a 1.5 T MRI with two different types of coils. In a first study, the displacement fields were acquired as a function of A using motion-sensitized spin-echo (REF) and gradient-echo (FFE) sequences for an isotropic spatial resolution of 1 mm. In a second study, the displacement field was acquired as a function of A using RFE for three different spatial resolutions. These studies revealed the existence of a threshold in A/ΔA beyond which the extracted parameters (G', G'') reach a plateau and the MRE is reliable. Then the number of voxels per wavelength, λ/a was considered as a parameter determining the conditions of validity of MRE. This parameter was studied according to the quality of the acquired data characterized by the ratio q//Δq. Simulations were carried in a homogeneous and isotropic elastic medium with a SNR between 5 and 30. The accuracy and the precision of the measurements were found optimal for 6 to 9 voxels per wavelength. The simulation conditions were experimentally reproduced at 2 kHz on a home-made polyvinyl alcohol phantom. The displacement fields were acquired at 11.7 T using a motion-sensitized RFE sequence with spatial resolutions ranging from 150 μm to 300 μm in order to obtain a λ/a ratio ranging from 1 to 20. The experimental results fully confirm the predictions of the simulation. The shear wave velocity decreases with λ/a. It tends towards the expected reference value when the acquisition is performed in the optimal condition, namely here when a is less than or equal to 200 μm. In addition, the standard deviation of the shear wave velocity is reduced for the optimal conditions. Therefore, accurate estimation of mechanical parameters could be deduced. This thesis first demonstrates that the precision and accuracy of MRE are optimal when the acquisitions are performed or processed for a certain wavelength sampling range determined by the SNR. We also showed that for fair comparison of the results, MRE must be carried out in a similar range of q/Δq. Taking into account the conditions of validity of MRE, determined by the ratios λ/a and q/Δq, leads to an effective quantitative measurement of the mechanical parameters making it possible to establish a relevant clinical diagnosis within the same organ, the same subject, between subjects or over time

L'élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique adaptée de l'IRM pour la caractérisation non-invasive et in vivo des propriétés mécaniques des tissus vivants. L'ERM consiste généralement à identifier des propriétés associées à un champ de déplacement induit par la propagation d'ondes de cisaillement dans le milieu tissulaire. L'intérêt fondamental de l'ERM réside dans le fort contraste des propriétés mécaniques des tissus mous, biomarqueurs pertinents pour la détection et la stadification du processus pathologique. Depuis son introduction à la fin des années 1990, l'ERM s'est ainsi imposée comme une modalité d'imagerie médicale polyvalente fournissant des cartographies quantitatives de la viscoélasticité des tissus mous. Le champ d'applications de l'ERM est vaste et l'essor progressif de cette technique en milieu clinique témoigne de l'intérêt conséquent qu'elle suscite.Le fort degré d'interdisciplinarité de l'ERM, et les interactions entre les acteurs des différentes communautés qui en résultent, représentent toutefois un frein à son développement. L'absence de méthodes rigoureuses d'intégration des biais liés aux mesures en est un exemple évocateur. C'est par l'approche de cette problématique des biais que ce travail de thèse est construit.Le premier axe est motivé par le besoin de caractérisation des biais liées aux mesures par IRM. Pour cela, un dispositif de tomographie par découpage optique et une procédure de corrélation digitale volumique sont adaptés afin de fournir des mesures de champs cinématiques harmoniques tridimensionnels. La validation du dispositif est éprouvée par une phase d’analyse des champs obtenus par ce dispositif sur différents matériaux fantômes. La prise en compte des différentes sources d'erreurs et la diversité des champs mesurables font de ce dispositif un outil métrologique pour la mesure de tels champs cinématiques en milieu IRM.Le second axe porte sur la limitation de l’impact des erreurs de mesure dans le modèle d'identification. Pour cela, une formulation couplée du problème direct adjoint de l'ERM est implémentée à un algorithme d'identification par décomposition en sous-domaines pour la viscoélasticité isotrope quasi-incompressible. Cette formulation spécifique s’appuie sur la présence d’un champ complémentaire pour contourner l’influence indirecte des erreurs de mesure au travers de leur application en tant que conditions aux limites, particulièrement redondantes dans le cadre d’une décomposition en sous-domaines. Il est ainsi démontré que la non-considération des conditions aux limites provoque un gain conséquent sur la qualité des identifications.Les développements présentés dans ces travaux sont confrontés à plusieurs études portant sur des reconstructions des propriétés mécaniques de données in silico, de fantômes et de cerveau humain in vivo. Ces applications constituent une évaluation détaillée des gains de stabilité de l’algorithme et permettent d’établir de nouveaux standards de pilotage augmentant la résolution spatiale des identifications en ERM. Ces développements sont particulièrement utiles pour la validation d’études ERM précliniques
Magnetic Resonance Elastography (MRE) is an adapted technique of MRI for non-invasive and in vivo characterization of mechanical properties of living tissues. MRE typically involves identifying properties associated with a displacement field induced by the propagation of shear waves in the tissue medium. The fundamental interest of MRE relies in the strong contrast of the mechanical properties of soft tissues, which are relevant biomarkers for the detection and staging of pathological processes. Since its introduction in the late 1990s, MRE has established itself as a versatile medical imaging modality providing quantitative maps of the soft tissues viscoelasticity. The field of applications of MRE is vast, and the gradual growth of this technique in a clinical setting testifies to its significant interest.However, the high degree of interdisciplinarity of MRE, and the resulting interactions between actors from different communities, represent a barrier to its development. The absence of rigorous methods for integrating measurement biases is an illustrative example of this problem. This thesis work is built around addressing this bias problem.The first axis is motivated by the need to characterize biases related to MRI measurements. To do this, an optical slicing tomography device and a digital volume correlation procedure are adapted to provide three-dimensional harmonic kinematic field measurements. The validation of the device is tested by analyzing the fields obtained on different phantom materials. The consideration of different sources of measurement errors and the diversity of measurable fields make this device a metrological tool for measuring such kinematic fields in an MRI environment.The second axis focuses on limiting the impact of measurement errors in the identification model. To achieve this, a coupled formulation of the direct adjoint problem that underlies MRE is implemented in a subzone decomposition-based identification algorithm for a nearly-incompressible, isotropic, viscoelastic model. This specific formulation relies on the presence of a complementary field to avoid the indirect influence of measurement errors through their application as Dirichlet-type boundary conditions which are particularly abundant considering the subzone decomposition of the problem. It is thus demonstrated that the non-consideration of the boundary conditions contributes significantly to the quality of identifications.The developments presented in this work are compared to several studies on reconstructions of mechanical properties of in silico data, phantoms, and in vivo human brain. These applications provide a detailed evaluation of the stability gains of the algorithm and establish new standards for driving the spatial resolution of identifications in MRE. These developments are particularly useful for validating preclinical MRE studies

Cette thèse porte sur l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) à bas champ (0,2 T). L'Elastographie par Résonance Magnétique permet de retrouver les propriétés viscoélastiques des tissus par imagerie d'ondes acoustiques transverses. Pour la partie suivante, un transducteur ultrasonore a été calibré en comparant la méthode de la balance et l'interférométrie laser. Puis, il a été tenté de modifier le contraste T1 des tissus par interaction spin-phonon due à l'application d'ultrasons à la fréquence de Larmor. Aucune modification n'a été obtenue, mais un courant acoustique a été observé. La visualisation de ce courant permet de calibrer les transducteurs et de retrouver certaines propriétés des liquides. La dernière partie était consacrée à la mise en place d'expériences de Polarisation Dynamique Nucléaire, basée sur le transfert de polarisation d'électrons non-appariés de radicaux libres vers les protons de l'eau. Un gain en signal RMN d'un facteur 30 a été obtenu sur des nitroxydes
This thesis deals with low field (0. 2 T) Magnetic Resonance Imaging (MRI). Magnetic Resonance Elastography allows to assess some viscoelastic properties of tissues by imaging of acoustic strain waves. In the next part, an ultrasonic transducer was calibrated using the comparison of the balance method and laser interferometry. Then, it was tried to modify the T1 contrast of tissues by spin-phonon interaction due to the application of ultrasound at the Larmor frequency. No modification was obtained, but an acoustic streaming was observed. The visualization of this streaming makes possible to calibrate transducers and to assess some properties of liquids. The last part was dedicated to set up Dynamic Nuclear Polarization experiments, based on the polarization transfer of unpaired electrons of free radicals to the protons of water. An enhancement of the NMR signal by a factor 30 was obtained on nitroxides

Parmi plusieurs processus biologiques impliqués dans la démence, l'agrégation fibrillaire de protéines endogènes arborant un défaut de conformation est une caractéristique précoce des maladies neurodégénératives. L'élastographie par résonance magnétique (ERM), une technique d'imagerie qui permet de cartographier les propriétés mécaniques des tissus, a récemment été appliquée dans le cadre des maladies neurodégénératives. Bien que des changements mécaniques associés à ces maladies aient été détectés, l'effet mécanique des fibrilles n'a pas encore été isolé dans des études cliniques ou précliniques. Ce travail de thèse vise à exploiter les propriétés fractales des fibrilles pour les différencier de protéines non agrégées. L'exposant de la loi puissance, obtenu par ajustement des données ERM multifréquences acquises sur fantôme et sur cerveau de rat ex vivo, permettrait de révéler à l'échelle macroscopique la présence à l'échelle microscopique de ces agrégats fibrillaires. Au cours de cette thèse, un banc d'élastographie IRM pour l'imagerie d'échantillons in vitro et ex vivo a été développé. Ce dispositif a permis de mettre en oeuvre une série de mesures ERM multifréquences (400 à 1200 Hz) sur des échantillons d'agarose contenant deux types de fibrilles, α-Syn et Aβ, et une protéine non agrégée utilisée comme témoin. Le même dispositif a permis de caractériser en ERM multifréquence (800 à 1200 Hz) des cerveaux de rats ex vivo préalablement injectés avec de l'α-Syn au niveau du striatum. Pour chaque rat, le striatum controlatéral a été injecté avec une solution saline et utilisé comme témoin. L'ensemble des données ERM ont été acquises sur un système préclinique 4.7 T à l'aide d'une séquence RARE modifiée. Après une inversion 3D directe, le module de stockage, l'angle de phase et la vitesse des ondes ont été extraits des élastogrammes. L'exposant de la loi puissance y a été obtenu par ajustement des données multifréquences. Dans les inclusions contenant des fibrilles, y était significativement plus élevé que dans celles contenant la protéine non agrégée. Ce résultat est d'autant plus intéressant que les paramètres mono-fréquence sont peu affectés par la présence des fibrilles : l'ERM multifréquence apporte une information sur la microstructure des tissus et permet de caractériser aussi petites soient-elles (quelques μm) les protéines fibrillaires. Chez les rats, les modules de stockage et de perte ont diminué sur l'ensemble des fréquences étudiées par rapport au striatum controlatéral. Les paramètres y et ϕ en revanche ne permettent pas de discriminer l'injection de fibrilles de l'injection contrôle. Des expériences complémentaires seraient nécessaires pour comprendre l'absence de détection ex vivo. Cette thèse constitue une contribution méthodologique originale dans le domaine de l'ERM, en isolant in vitro pour la première fois l'effet biomécanique de structures fibrillaires impliquées dans les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson
Among several biological processes involved in dementia, fibrillar aggregation of endogenous proteins with altered conformation is an early characteristic of neurodegenerative diseases. Magnetic resonance elastography (MRE), an imaging technique that maps the mechanical properties of tissues, has recently been applied in neurodegenerative diseases. Although mechanical changes associated with these diseases have been detected, the mechanical effect of fibril has not yet been isolated in clinical or preclinical studies. This thesis work aims to exploit the fractal properties of fibrils to differentiate them from non-aggregated proteins. The exponent of the power law, obtained by adjusting multi-frequency MRE data acquired on phantom and rat brain ex vivo, could reveal at the macroscopic scale the presence of these fibrillar aggregates at the microscopic scale. During this thesis, an MRI elastography bench for imaging in vitro and ex vivo samples was developed. This device made it possible to implement a series of multi-frequency MRE measurements (400 to 1200Hz) on agarose samples containing two types of fibrils, α-Syn and Aβ, and a non-aggregated protein used as a control. The same device has made it possible to characterize with multi-frequency MRE (800 to 1200Hz) rat brains ex vivo previously injected with α-Syn in the striatum. For each rat, the contralateral striatum was injected with saline solution and used as a control. All MRE data were acquired on a 4.7T preclinical system using a modified RARE sequence. After a direct 3D inversion, the storage modulus, phase angle and wave velocity were extracted from the elastograms. The power law exponent is obtained by adjusting to the multi-frequency data. In inclusions containing fibrils, y was significantly higher than in those containing nonaggregated protein. This result is all the more interesting because the mono-frequency parameters were not affected much by the presence of fibrils: multi-frequency MRE provides information on the microstructure of tissues and makes it possible to characterize fibrillar proteins, however small they may be (a few μm). In rats, storage and loss modules decrease significantly over all frequencies studied compared to contralateral striatum. The parameters y and ϕ on the other hand do not allow discriminating between fibril injection and control injection. Further experiments would be needed to understand the absence of ex vivo detection. This thesis constitutes an original methodological contribution in the field of MRE, by isolating for the first time the biomechanical effect of fibrillar structures involved in neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease

Ce projet vise à implanter l'élastographie par résonance magnétique (ERM) multifréquentielle au Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke (CHUS), dans le but de pouvoir acquérir des données expérimentales sur des fantômes qui reproduisent les propriétés mécaniques du cerveau. La réalisation d'une élastographie de qualité nécessite le développement d'un système d'actionnement précis et facile d'utilisation pour créer une onde de cisaillement harmonique induite dans le tissu étudié. L'information sur les propriétés mécaniques est obtenue grâce à l'utilisation de la méthode de reconstruction d'inversion non linéaire par sous-zones (NLI). Cette méthode nécessite l'utilisation de la méthode des éléments finis pour calculer les propriétés mécaniques et requiert donc un traitement des données tirées de l'appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM), notamment une discrétisation du domaine étudié. Ce mémoire présente toutes les étapes réalisées afin d'être en mesure de réaliser une ERM multifréquentielle en partant du système générant l'excitation à l'intérieur de l'IRM, jusqu'au traitement post-reconstruction permettant d'obtenir la cartographie des propriétés mécaniques recherchées. Un système d'actionnement permettant de réaliser une ERM sur des fantômes de tofu a été conçu. Il a comme principales caractéristiques de produire des ondes mécaniques harmoniques dans une plage fréquentielle de 10 à 70 Hz de façon répétable. Parallèlement à la conception et la fabrication de ce système d'actionnement, de nombreuses reconstructions multifréquentielles ont été réalisées sur des données acquises sur des cerveaux humains, afin de trouver les paramètres optimaux de l'algorithme de reconstruction. Ces nombreuses analyses ont permis de mieux comprendre les paramètres limitant la reconstruction élastographique multifréquentielle, mais aussi de trouver et corriger des erreurs s'étant glissées dans la programmation de cet algorithme. Dans le but d'être un jour capable de réaliser une élastographie multifréquentielle sur une plage fréquentielle allant de 1 à 70 Hz, l'élastographie avec excitation intrinsèque a aussi été implantée au CHUS. Une analyse préliminaire, présentée dans ce document, a été réalisée à partir des données acquises avec cette technique.

L'objectif de ma thèse a été de caractériser les propriétés mécaniques des muscles de la cuisse, avec la technique d'élastographie par résonance magnétique (ERM) lors de changements physiologiques (de la croissance au vieillissement musculaire) et pathologiques (dans le cas de la Dystrophie Musculaire de Duchenne). Cette thèse a permis de montrer que le module de cisaillement était beaucoup plus sensible aux changements neuromusculaires liés à l'âge, alors que le coefficient d'atténuation était un paramètre à relier à la qualité musculaire, permettant ainsi de détecter des changements structurels liés à l'âge et au genre. L'étude des paramètres de viscoélasticité sur le tissus musculaire (vastus medialis et sartorius) et graisseux, avec des tests ERMs multifréquences et des modèles rhéologiques (Voigt, Zener et Springpot), a montré que le modèle Springpot était le plus adapté pour la simulation des propriétés viscoélastiques. De plus, la cartographie du module de cisaillement a été corrélée à celle de la dureté musculaire, obtenue par élastographie ultrasonore, permettant ainsi de valider la faisabilité de l'ERM à détecter des changements physiologiques musculaires. Enfin, ces données ont été utilisées pour le développement de fantômes, reflétant les propriétés mécaniques musculaires. L'ensemble des données, constituées par cette thèse, pourra servir au clinicien pour le suivi de pathologie neuromusculaire, le choix de traitement (thérapeutique ou chirurgical), l'évaluation des futurs traitements sur un gain de la fonction tissulaire ainsi que pour la simulation du système musculo-squeletique
The objective of my thesis was to characterize the mechanical properties of the muscles of the thigh with magnetic resonance elastography (MRE) during physiological changes (growing muscle and age-related changes) and pathological process (Duchenne muscular dystrophy). This thesis depicted that shear modulus was a mechanical parameter more sensitive to the aged-related neuromuscular changes, while the attenuation coefficient was more related to the muscle quality, thus to the age and gender-related structural changes. Study of viscoelastic parameters of muscle tissue (vastus medialis and sartorius) and subcutaneous adipose tissue, with multi-frequency tests ERMs and rheological models (Voigt, Zener and Springpot) showed that the model Springpot was the best adapted for simulation of the viscoelastic properties. In addition, mapping of the shear modulus was correlated with the cartography of the muscle hardness, obtained by ultrasound elastography, thus validating the feasibility of the MRE to detect physiological changes in muscle. Finally, these data were used for the development of phantoms, reflecting muscle mechanical properties. All data, set up with that thesis, will be of use for the clinician to better determine the pathophysiology of neuromuscular disorder, to help in the choice of treatment (therapeutic or surgical) and in the evaluation of future treatments with a gain of function and tissue for the simulation the musculoskeletal system

Mon travail de recherche a consisté à identifier expérimentalement et numériquement les propriétés mécaniques du foie avec la technique d’Élastographie par Résonance Magnétique (ERM). Une première partie in vitro a consisté à développer un objet-test imitant les propriétés mécaniques du foie. Les propriétés hyper-viscoélastiques du fantôme ont été identifiées avec des tests de compression, et avec des tests ERM multifréquences réalisés avec un vibrateur hépatique générant des ondes au sein du foie. En parallèle à cette identification expérimentale, une analyse élément finis de la propagation des ondes a été faite sur un modèle 2D simplifié du fantôme composé, des conditions limites du test ERM (amplitude du déplacement de la membrane, fréquence), puis sur un modèle 3D. Ensuite, une méthode inverse a été développée pour caractériser numériquement les propriétés élastiques du fantôme. Les résultats obtenus expérimentalement et numériquement sont similaires (μ = 4 kPa), le processus d’identification a été validé et le fantôme a les propriétés élastiques d’un foie fibreux. La deuxième partie in vivo a consisté à étudier les propriétés viscoélastiques du foie sain et fibreux avec des tests ERM multifréquences. L’élasticité augmente avec le stade de fibrose. Une analyse des post-traitements (utilisation d’algorithme d’inversion, de modèles rhéologiques) a montré des résultats de la viscosité différents avec le stade de fibrose. De plus, un modèle éléments finis 3D du foie a été reconstruit, avec des coupes anatomiques IRM, afin de simuler un test ERM et d’analyser le comportement des ondes de cisaillement. Ces simulations permettront d’adapter les protocoles ERM avant la phase clinique
My research work was to identify experimentally and numerically the mechanical properties of the liver with Magnetic Resonance Elastography (MRE) technique. The first in vitro part of this project was to develop a phantom mimicking the mechanical properties of the liver. Hyper-viscoelastic properties of the phantom were identified with compression tests, and MRE tests performed with a multifrequency protocol using a hepatic driver generating waves within the liver. In parallel to this experimental identification, a finite element analysis of the propagation of the wave was made through a simplified 2D model, composed of the phantom, with the boundary conditions of MRE test (amplitude of displacement of the membrane, frequency), subsequently with a 3D model. An inverse method was also developed to numerically characterize the elastic properties of the phantom. The results obtained experimentally and numerically were similar (μ = 4 kPa), the identification process was validated and the phantom reveals the elastic properties of fibrotic liver tissue. The second in vivo part was focused on the study of the viscoelastic properties of healthy and fibrotic livers with multifrequency MRE tests. The elasticity increases with the stage of fibrosis. An analysis of the post-treatment (inversion algorithm, rheological models) showed different results of the viscosity with the stage of fibrosis. In addition, a 3D finite element model of the liver was reconstructed, with anatomical MRI slices, to simulate a MRE test and to analyze the behavior of the shear waves. These simulations enabled to adapt MRE protocols before the clinical phase

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome
Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction

L’élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique IRM s’attachant à imager les propriétés mécaniques des tissus. Elle est actuellement utilisée pour diagnostiquer la fibrose hépatique. Dans ce contexte, une présentation des trois étapes d’une telle acquisition est faite avant d’aborder des séquences ERM avancées et les applications principales de l’ERM.