Дисертації з теми "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

La connaissance de l’anatomie des muscles paravertébraux lombaires et la compréhension de leur mode d’action représentent un enjeu majeur de la prise en charge des lombalgies. L’expérience chirurgicale montre que les muscles paravertébraux constituent une volumineuse masse musculaire dépourvue de gros tendons et engainée dans un fascia inextensible. En biomécanique, la force maximale d’un muscle est positivement corrélée à la surface de section des tendons et du corps charnu. Il existe probablement, au niveau lombaire, une étonnante discordance entre le volume musculaire, qui suggère une force élevé, et celui des tendons dont la résistance mécanique est très limitée. Les modèles biomécaniques classiques semblent inappropriées pour décrire le mode d’action des muscles paravertébraux. Selon certains modèles biomécaniques dérivés de la théorie des poutres, l’augmentation de la dureté ou élasticité au sein du compartiment paravertébral serait le mécanisme principal de la stabilisation de la colonne vertébrale.Ces travaux se sont articulés autour de deux grands axes. L’axe anatomique avait pour objectif de vérifier l’hypothèse de la discordance morphologique tendon/muscle des principaux muscles paravertébraux lombaires. L’axe radiologique avait pour objectif la mise en place de protocoles d’élastographie par résonance magnétique et ultrasonore pour l’exploration de l’élasticité des différents muscles paravertébraux lombaires au repos et dans plusieurs postures différentes.Les résultats des travaux anatomiques montrent un ratio de surface tendon/muscle du multifudus et de l’iliocostalis extrêmement bas et une petite surface de section du multifidus suggérant que muscles ne sont pas capables de générer l’extension dorsale de la colonne lors de la contraction musculaire. Ils semblent plutôt stabiliser la colonne vertébrale en lui assurant une certaine rigidité assurée par un volume musculaire conséquent confiné dans une loge inextensible. Au moyen de l’élastographie, nous montrons que l’élasticité des muscles paravertébraux est la plus basse au repos, en décubitus et qu’elle n’est pas influencée par la flexion ou l’extension passive de la colonne, ni par l’étirement du fascia thoracolombaire. L’élasticité augmente lors des positions : assise, debout, penchée en avant et en arrière. Le comportement biomécanique de chaque muscle est différent selon les postures. Ces travaux confirment qu’il existe des modifications significatives de l’élasticité lors de la mise en charge de la colonne. Les lombalgies sont associées à des modifications d’élasticité de la colonne et des muscles paravertébraux observées lors de l’examen clinique, l’élastographie pourrait permettre de les explorer et de les caractériser de façon objective et non invasive
Knowledge about the anatomy and the mode of action of the lumbar paraspinal muscles is major importance for the management of low back pain. Surgical experience shows that the paraspinal muscles constitute a voluminous muscle mass without large tendons and enclosed in an inextensible fascia. In biomechanics, the maximum strength of a muscle is positively correlated to the cross-sectional area of tendons and the muscle belly. Therefore, there is a paradox between the presumed high strength of the voluminous muscle belly and the low strength of the tendons. Traditional biomechanical models seem inappropriate for describing the mode of action of the paraspinal muscles. According to the beam theory, increasing elasticity within the paraspinal compartment would allow the stabilization of the spine.The work has two broad objectives. The first objective was to assess the assumption that there is an inconsistency betwenn the cross-sectional area of the tendon and of the belly of the main paraspinal muscles, i.e. the multifidus, the longissius and the iliocostalis. The second objective was to establish elastography protocols with magnetic resonance imaging and ultrasonography for the exploration of the elasticity of the paraspinal muscles at rest and in several different postures. Results of the anatomical studies show that the tendon-to-muscle area ratios of the longissimis and the iliocostalis were extremely small, as well as cross-sectional area of the belly of the multifidus. That suggests that paraspinal muscles are not able to provide the dorsal extension of the spine during muscle contraction. Rather, they seem to stabilize the spine by providing it with a certain rigidity ensured by a substantial muscle volume contained in an inextensible compartment. Through elastography, we have shown that the elasticity of the paraspinal muscles was the lowest at rest, in decubitus. Elasticity was not influenced by passive flexion or extension of the spine, nor by the stretching of the thoracolumbar fascia. Elasticity increased during sitting, standing, bending forward and bending backward the compared to decubitus. The biomechanical behaviour of the longissimus, the iliocostalis and multifidus differed according to the postures. This work confirms that there are significant changes in elasticity during standing postures. Low back pain is associated with stiffness changes of the spine and of the paraspinal muscles that have been observed through clinical examination. In the future, elastography could allow exploring low back pain

L'ablation thermique vise à endommager les cellules tumorales en chauffant ou en congelant le tissu tumoral. La surveillance par IRM est une technique prometteuse pour assurer la destruction des cellules tumorales tout en aidant à préserver les tissus sains environnants. L'équipe ICube a récemment proposé l'utilisation de l'élastographie RM en temps réel (MRE) et de la thermométrie RM (MRT). Cela permet de surveiller la température et les propriétés mécaniques du tissu ciblé simultanément en temps réel. Dans cette thèse de doctorat , nous avons présenté deux développements différents afin de surmonter certaines des limitations actuelles de la MRE et de la MRT interventionnelles, en termes d’extension à la couverture spatiale de la région ciblée et au développement d’une nouvelle méthode de surveillance des ablations thermiques pour tous les types de tissus mous, y compris les tissus adipeux. Ces contributions visent à améliorer la sécurité et l'efficacité de l'ablation thermique guidée par MR
Thermal ablation aims at damaging tumor cells by either heating or freezing tumoral tissue. MRI monitoring is a promising technique for ensuring the destruction of tumor cells while preserving the surrounding healthy tissue. Recently, the ICube team demonstrated the use of simultaneous realtime MR Elastography (MRE) and MR Thermometry (MRT). It allows monitoring temperature and mechanical properties of the targeted tissue simultaneously in realtime. In this Ph.D. thesis, we have presented two different developments in order to overcome some of the current limitations of interventional MRE and MRT, in terms of extending to the spatial coverage of the targeted region and developing a new method to monitor thermal ablations for all types of soft tissues, including fatty tissues. These contributions aim at improving the safety and efficiency of MR guided thermal ablation

Le terme élastographie désigne les techniques d'imagerie dédiées à l'étude des propriétés mécaniques des tissus biologiques in vivo. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux de ces techniques. La première est l'élastographie quasi-statique par ultrasons permettant de mesurer les déformations locales induites dans un tissu sous l'action d'une contrainte globale. La seconde est l'élastographie par résonance magnétique (ERM) permettant d'accéder localement à une estimation du module de cisaillement. Pour cette dernière technique, une onde de cisaillement est générée au sein du milieu puis imagée a l'aide d'une séquence IRM spécifique. Les images d'ondes acquises permettent la reconstruction du module de cisaillement local. Dans le cadre de ces travaux, une nouvelle technique d'acquisition de l'image d'onde de cisaillement a été proposée, ainsi qu'une méthode de reconstruction du module de cisaillement basée sur l'estimation locale de fréquence par rapport de filtres. Un autre axe de recherche a consisté en l'étude de l'effet d'une précontrainte appliquée à un milieu sur son module de cisaillement mesuré par ERM. Cet effet a tout d'abord été étudié sur des milieux homogènes puis avec des milieux test hétérogènes. Dans ce dernier cas, l'utilisation de l'élastographie quasi-statique par ultrasons s'avère nécessaire pour accéder à la déformation locale du milieu. Cette dernière information a été combinée avec les informations obtenues en ERM pour extraire pour chaque région d'intérêt une courbe déformation/module de cisaillement
The term elastography refers to imaging techniques dedicated to the in vivo investigation of the mechanical properties of biological tissues. During this thesis, we focused on two elastography techniques. The first one is quasi-static ultrasound elastography, able to locally estimate tissue strain induced by a global deformation of a medium. The second one is Magnetic Resonance Elastography (MRE), able to measure the local shear modulus. In MRE, a shear wave is generated within the medium and imaged using a specific MRI sequence. The resulting wave images are then processed to estimate the local shear modulus. A new acquisition scheme of the shear wave images was proposed during this thesis. A method, based on local frequency estimation, was also developed for the estimation of the local shear modulus using the properties of a ratio of filters. Another research axis was the study of the effect of a prestrain application on the measured shear modulus. This effect was first studied with homogeneous media and then with heterogeneous test objects. In this last case, the use of quasi-static ultrasound elastography was necessary to locally access to the medium strain. This information was then combined with the information obtained using MRE to extract, for each region of interest, a strain/shear modulus curve

L’élastographie est une modalité d'imagerie médicale émergente qui permet de mesurer les propriétés mécaniques des tissus moux humains. Ces mesures peuvent servir de biomarqueurs pour l'amélioration de la prise en charge des maladies, du diagnostic précoce et de l'évaluation de la sévérité, au suivi de la réponse au traitement. Parmi les différentes approches de l’élastographie, l'élastographie par Résonance Magnétique (ERM) et l’élastographie ultrasonore par ondes de cisaillement (Supersonic Shear Imaging (SSI)) suscitent des intérêts particuliers. Ces deux modalités ont été largement étudiées pour des applications cliniques multiples. Toutefois, chaque modalité repose sur des conditions d'acquisition et de reconstruction différentes et caractérisées par leur propres limites qui peuvent induire des biais de mesure intra-et inter-modalité et donc entraver l'interchangeabilité des deux modalités pour des applications cliniques. Dans un premier temps, ma thèse a porté sur l'identification des biais de mesure entre ERM et SSI. Grâce à une comparaison méthodologique approfondie des deux modalités, nous avons identifié les différentes caractéristiques de fréquence des ondes de cisaillement générées par les deux modalités et les contraintes spécifiques de reconstruction, en particulier en ERM, comme les principales sources de biais de mesure entre les deux modalités. Dans un deuxième temps, une étude de simulation a étéeffectuée afin de caractériser l'influence des conditions d'acquisition et de reconstruction sur l'exactitude et la précision des mesures d’ERM. Nous avons établi des abaci in silico pour identifier le nombre de voxels par longueur d'onde idéal (rapport λ/a) pour obtenir des mesures ERM exactes et précises. En outre, nous avons montré que le rééchantillonnage pouvait s’avérer efficace afin de répondre aux critères de λ/a favorable lorsque le nombre de voxels par longueur d'onde initial était mal défini. Les résultats finaux, qui sont généralement calculés à partir des trois directions d'encodage, peuvent être améliorés grâce à des stratégies de pondération appropriées qui reposent sur le champ rotationnel du déplacement de l'onde de cisaillement. Pour la modalité SSI, nous avons utilisé le paramètre de qualité fourni par le fabricant afin d’éliminer raisonnablement des résultats peu fiables et améliorer encore la qualité des mesures. Ensuite nous avons intégré les stratégies d'optimisation proposées dans chaque modalité pour effectuer des études de comparaison expérimentales impartiales entre ces deux modalités. Des études in vitro ont été effectuées sur des fantômes commerciaux calibrés et aussi des fantômes à la base de l'alcool polyvinylique. Des résultats expérimentaux confirment bien ceux de la simulation. Des mesures SSI et ERM sont en bon accord quand des biais reliés à la théorie, l'expérimentation et la reconstruction sont minimisés. Des études in vivo ont été ensuite effectuées sur le foie de deux volontaires sains. On a constaté que lorsque le foie est quasi-élastique, des mesures SSI et ERM avec la qualité optimisée concordent bien les uns et les autres, ils sont donc interchangeables. Dans le cas du tissu hépatique viscoélastique, des mesures SSI et ERM dépendent de la fréquence. Dans ce contexte, des mesures ERM et SSI pour la même fréquence spécifique sont nécessaires pour réaliser une comparaison impartiale entre des deux modalités
Elastography is an emerging medical imaging modality which permits to measure the mechanical properties of human soft tissue. The measured mechanical properties can serve as potential biomarkers for improving the management of diseases, from early diagnosis, to severity evaluation and therapy response monitoring. Among different approaches, Magnetic Resonance Elastography (MRE) and Supersonic Shear Imaging (SSI) have shown particular interests. The two modalities have been widely investigated for multiple clinical applications. However, each modality is challenged by specific acquisition and reconstruction conditions which may induce intra- and inter-modality measurement biases and hence impede the interchangeability of the two modalities. The first part of my thesis focused on identifying the measurement biases between MRE and SSI. Through a thorough methodological comparison study, we recognized different frequency characteristics of generated shear waves for the two modalities and modality specific reconstruction validity issues as the main sources for the measurement biases between the two modalities. Then through a dedicated simulation study, we established an in silico abaci to identify the favorable range of number of voxels per wavelength which leads to accurate and precise MRE. Moreover, resampling was proven effective to regulate poorly defined number of voxels per wavelength to the favorable range. The overall outcome, which is usually computed from the three acquired motionencoded directions, may further be improved by appropriate weighting strategies that are based on curl of shear displacement field. For SSI, we referred to the quality parameter provided by the manufacturer to reasonably eliminate unreliable results so as to further improve the measurement quality. After establishing the potential measurement biases between MRE and SSI, we incorporated the proposed quality optimization strategies into both modalities in order to perform unbiased experimental comparison studies between the two modalities. First, in vitro studies were carried out on commercial calibrated phantoms as well as home-made polyvinyl alcohol phantoms. Experimental results corroborate well the simulation findings. MRE and SSI measurements agree well witheach other when theory, experiment, and reconstruction biases are minimized. In vivo studies were then performed on the livers of two healthy volunteers. We found that when the liver is quasi-elastic, the quality-guided MRE and SSI measurements agree well with each other and hence are interchangeable. In case of viscoelastic liver tissue, both MRE and SSI measurements are frequency dependent. Thus frequency-specific measurements are essential for cross-validating the measurements of these two modalities

Selon l'American Lung Association, dans les dernières années, les maladies pulmonaires sont devenues la troisième cause mondiale de décès après les maladies cardiovasculaires et le cancer. Et il est prévu que la position augmente dans ce classement au cours des dix prochaines années. Les maladies pulmonaires telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose interstitielle affectent des millions de personnes dans le monde, tuant des milliers d'entre eux chaque année tandis que de nouveaux cas sont signalés. Aujourd'hui, il n'y a pas de diagnostic précoce des maladies pulmonaires. Celles-ci se manifestent essentiellement par une modification des propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire qui ne peut être détectée par les techniques usuelles appliquées généralement sur les autres organes. La tomodensitométrie par rayons X et la biopsie pulmonaire chirurgicale peuvent indiquer la maladie. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire la progression de cette dernière ni de déterminer la durée optimale de la thérapie, ni encore d'explorer l'administration d'autres agents potentiellement moins toxiques que ceux utilisés de nos jours. Les causes et les mécanismes de la maladie ainsi que les facteurs génétiques associés ne sont pas encore déterminés. Les enjeux sociétal et médical sont énormes. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction-même de l'organe. Elles pourraient être des biomarqueurs pulmonaires très sensibles puisqu'elles dépendent de la structure des tissus, des conditions biologiques, et qu'elles sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. Toutefois, l’auscultation et l’exploration tactile couramment utilisées ne peuvent pas localement les sonder in vivo. Dans ce travail de thèse, une nouvelle modalité a été développée pour cartographier les propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire afin de détecter, quantifier et classer les maladies qui les modifient. Cette nouvelle méthode d'imagerie, l’élastographie par résonance magnétique de l'hélium-3 hyperpolarisé, bénéficie de l'innocuité et de la sensibilité de la technique ainsi que de l'importance du signal d'hélium-3 hyperpolarisé dans les poumons.Tout d'abord, la technique a été validée sur des fantômes de poumons préservés de cochon. D'une part, les hypothèses de confinement du gaz et de l'indépendance à la composition du gaz qui sous-tendent l'élastographie IRM quantitative de l'hélium-3 ont été confirmées. D'autre part, la sensibilité de la technique a été éprouvée par rapport à l'inflation des poumons et à leur dépendance à la gravité. Puis, un mode d'excitation original a été développé et les protocoles d'acquisition IRM ont été optimisés pour réaliser l'élastographie IRM de l'hélium-3 in vivo. Les premières mesures de propagation d'ondes de cisaillement ont été obtenues à la fois dans des poumons de rat et d'humain. Les modules d'élasticité de cisaillement obtenus s'accordent assez bien avec les valeurs de rigidité obtenues ex vivo par les techniques alternatives. Ce travail ouvre une voie unique d'exploration in vivo de la physiopathologie pulmonaire
According to the American Lung Association, for the last few years, lung diseases have become the third most common cause of death worldwide after cardiovascular disease and tumors, and it is expected to rise up the ranking position in the next ten years. Lung diseases such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease and interstitial fibrosis affect millions of people worldwide, killing thousands of them every year while new cases are reported. Today, there is no early diagnosis of these pulmonary diseases. They effectively manifest by a modification of the viscoelastic properties of the lung parenchyma which cannot be detected by usual techniques that are applied to other organs. X-ray computer tomography and surgical lung biopsy can state the disease. However, it is not yet possible to predict its progression, to determine the optimal length of the therapy, or to explore the administration of other agents potentially less toxic than those used nowadays. Causes and mechanisms of the disease, associated genetic factors are not determined yet. The social and medical issues are huge. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the basic function of the organ. They could be very sensitive pulmonary biomarkers as they depend on the tissue structure, the biological conditions, and they are dramatically altered by most lung diseases like cancer, emphysema, asthma, or interstitial fibrosis. However, current auscultation and tactual explorations fail to regionally probe them in vivo.In this PhD work, a new modality was developed to regionally measure the viscoelastic properties of the lung parenchyma in order to detect, quantify, and classify diseases that modify them. This new imaging approach, hyperpolarized helium-3 Magnetic Resonance Elastography (MRE), benefit from the innocuity and the sensitivity of the technique as well as from the huge hyperpolarized helium-3 signal in the lung. First, the technique was validated on preserved pig lung phantoms. On the one hand, the assumptions of gas confinement and gas content independence that support quantitative helium-3 MRE were assessed. On the other hand, the sensitivity of the technique was challenged with respect to lung inflation and gravity dependence. Second, original means of mechanical excitation were developed and MR acquisition protocols were optimized to perform helium-3 MRE in vivo. First measurements of shear wave propagation were achieved in both rat and human lungs. Resulting shear elasticity agrees fairly well with stiffness values found ex vivo by alternative measurement techniques. This work opens up promising insights into lung pathophysiology in vivo

La fonction respiratoire chez l'homme est indissociable du mouvement de déformation du poumon : les échanges gazeux entre l'organisme et son environnement sont rendus possibles, lors de l'inspiration, par le gonflement des alvéoles du parenchyme pulmonaire, et lors de l'expiration, par un retour passif à l'état d'équilibre statique du poumon. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction même de cet organe. Ces éléments de la mécanique respiratoire pourraient être des biomarqueurs très sensibles de l'état physiopathologique du poumon puisqu'ils dépendent de la structure des tissus et des conditions biologiques qui sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. L'imagerie par résonance magnétique permet aujourd'hui, de manière non-invasive, l'obtention d'images anatomiques tridimensionnelles permettant, grâce aux résolutions spatiales et temporelles accessibles ainsi qu'aux contrastes riches observés au sein des tissus mous, la mesure de l'état de déformation d'un organe à un instant donné. Par ailleurs, par l'application de gradients d'encodage du mouvement, l'élastographie par résonance magnétique permet de suivre, sur la phase du signal de résonance magnétique, la réponse des organes à une contrainte mécanique externe afin de révéler leurs propriétés viscoélastiques, ce qui permet d'envisager l'exploration quantitative et spatialement résolue d'organes profonds que la main du médecin ne peut atteindre. Dans le poumon, l'IRM conventionnelle est cependant relativement inadaptée : la faible densité tissulaire, les grandes différences de susceptibilité magnétique à l'interface entre le gaz et le tissu et, corrélativement, les très faibles durées de vie du signal de résonance magnétique, conduisent à des rapports signal-à-bruit difficilement exploitables. De plus, les durées des acquisitions IRM tridimensionnelles sont généralement supérieures à la période du mouvement respiratoire, ce qui nécessite de prendre en considération ce mouvement au sein du processus d'imagerie. Ce projet de thèse, réalisé en collaboration avec GE Healthcare, vise à contourner les limitations citées précédemment en s'appuyant sur des techniques d'acquisition à temps d'écho sub-milliseconde de type UTE et ZTE, associées à des approches originales et innovantes de suivi intrinsèque des mouvements physiologiques ainsi qu'à des techniques de reconstruction d'images quadridimensionnelles tenant compte à la fois du mouvement respiratoire, de la redondance de l'information entre les différents canaux d'acquisition de données et de la parcimonie des images reconstruites à travers certaines représentations mathématiques. L'objectif ultime du projet est le développement et la validation de techniques d'exploration fonctionnelle respiratoire locales et quantitatives, mais aussi d'élastographie dynamique du poumon par résonance magnétique, afin d'extraire les paramètres ventilatoires et les modules viscoélastiques de cisaillement locaux du poumon au cours du cycle respiratoire
The respiratory function in human cannot be separated from the deformation motion of the lung: the gas exchanges between the organism and its environment are made possible, during the inspiration, by the swelling of the alveoli in the pulmonary parenchyma, and during the expiration, by a passive return to the static equilibrium state of the lung. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the function of this organ. These elements of respiratory mechanics may prove to be very sensitive biomarkers of the pathophysiological state of the lung since they depend on the structure of tissues and biological conditions that are considerably altered by most pulmonary diseases such as cancer, emphysema, asthma or interstitial fibrosis. Magnetic resonance imaging enables non-invasive measurement of three-dimensional anatomical images that allow, thanks to the accessible spatial and temporal resolutions as well as the rich contrasts observed in the soft tissues, the measurement of the deformation state of an organ at a given moment. Moreover, by applying motion encoding gradients, magnetic resonance elastography gives the possibility to follow, onto to the magnetic resonance phase signal, the mechanical strain response of organs to an external mechanical stress in order to reveal their viscoelastic properties, which makes possible a quantitative and spatially-resolved exploration of deep organs that are nor reachable by the medical doctor's hand. In the lung, conventional MRI is, however, relatively difficult: the low tissue density, the large differences in magnetic susceptibility at the interface between gas and tissue and, correlatively, the very short lifetimes of the magnetic resonance signal, lead to signal-to-noise ratios that are difficult to exploit. In addition, the durations of three-dimensional MRI scans are generally longer than the period of the respiratory motion, which requires consideration of this motion within the imaging process. This PhD project, carried out in collaboration with GE Healthcare, aims at circumventing the limitations mentioned above by using UTE and ZTE sub-millisecond echo-time acquisition techniques, combined with original and innovative approaches of intrinsic physiological motions monitoring as well as four-dimensional image reconstruction techniques taking into account the respiratory motion, the redundancy of information between the different data acquisition channels and the sparsity of the reconstructed images through some mathematical representations. The ultimate goal of this project is the development and the validation of local and quantitative techniques to explore the respiratory function, as well as dynamic magnetic resonance lung elastography, in order to extract local ventilation parameters and viscoelastic shear moduli in the lung during the breathing cycle

Les travaux menés lors de cette thèse portent sur le développement d'une approche passive d'Elastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. Inspirée des techniques de corrélation de bruit sismique développée en séismologie, et du retournement temporel en acoustique. L'Elastographie passive utilise des ondes de cisaillement naturellement présentent dans le corps humain pour extraire les propriétés mécaniques des tissues biologiques. La faisabilité de cette approche passive est démontrée pour divers applications. En ultrason, un échographe à cadence lente ont été utilisés pour le guidage du traitement par ultrason à haut intensité dans une étude préclinique. Puis l'utilisation d'un échographe ultra-rapide pour la reconstruction des cartes de vitesses dans des gels calibrés ainsi que in-vivo. L'Elastographie passive par résonnance magnétique a été également mise en place pour imager les mouvements naturels dans le cerveau d'un volontaire sain et la réalisation d'une tomographie de longueurs d'ondes. En optique pour des applications en ophtalmologie ou en dermatologie, la faisabilité de l'Elastographie passive par cohérence optique a été démontrée dans un gel puis in-vivo dans l'œil d'une souris pour des. Puis une preuve du concept d'un dispositif d'imagerie d'ondes de surfaces complètement optique été testé dans des gels plan, courbé, isotrope ou anisotrope. Finalement, la limite de la résolution de l'Elastographie passive par ultrason est évaluée
The aim of this thesis was the development of a new approach called passive elastography. This approach is inspired from noise correlation methods well developed in seismology and time reversal technics in acoustics. Passive elastography uses shear waves naturally induced in the human body to extract its mechanical properties of soft tissue. The feasibility of this method was tested in several applications. First in ultrasound, slow frame rate ultrasound scanner was used to monitor high intensity focused ultrasound treatment on porcine pancreas. Then, an ultrafast ultrasound scanner was used to retrieve shear wave speed map in a calibrated phantom and in-vivo. Second, Magnetic resonance elastography was implemented to image natural motion in the brain of healthy volunteers and conduct shear wavelength tomography. Third, of ophthalmological and dermatological applications, optical coherence passive elastography was tested in a phantom and a cornea of healthy mouse. Also, a fully optical setup was established to image surface wave for elastography applications. Finally, the resolution limit of elastography was measured using and ultrasound ultrafast scanner

Résumé de l'étude in vitro. L'objectif de cette étude in vitro était de créer un fantôme avec la même architecture musculaire (fibre, aponévrose ...) et les mêmes propriétés mécaniques que le muscle en condition passive et active. Deux fantômes homogènes ont été fabriqués avec différentes concentrations de plastisol pour simuler les propriétés élastiques du muscle en condition passive (50% plastisol) et active (70% de plastisol). Pour cela, des fils en Téflon (d = 0,9 mm) ont été insérés dans la partie supérieure du fantôme (50%) pour représenter les fibres musculaires. De plus, une feuille en matière plastique (8 x 15 cm) a également été placée au milieu du fantôme pour imiter la structure de l'aponévrose. Ensuite, des tests ERM ont été effectués à 90 Hz avec deux stimulateurs pneumatiques de différentes formes (tube en silicone, membrane circulaire) pour analyser l'effet du type du stimulateur sur la propagation des ondes. La longueur d'onde a été mesurée à partir des images phase et les propriétés élastiques (module de cisaillement) ont été calculées. Les deux fantômes (50% et 70%) ont montré des propriétés élastiques similaires à celles du muscle à l’état passif (2,40 ± 0,18 kPa) et actif (6,24 ± 0,21 kPa). Le stimulateur en forme de tube a donné des valeurs plus élevées (environ 1,2 kPa à 1,53 kPa). L'analyse du comportement des ondes a révélé un glissement le long de la feuille plastique. Ce phénomène a aussi été observé in vivo le long de l’aponévrose. L'onde a également été sensible à la présence des fils en téflon car des coupures, des trous, ont été identifiés au cours de la propagation de l’onde. Une nouvelle méthode de post-traitement a été créée pour mesurer les paramètres G' et G" à partir de tests ERM réalisés à plusieurs fréquences (60, 80, 100 Hz) et en utilisant des modèles rhéologiques. Cette méthode a été testée sur un fantôme (50%) qui n’avait pas d’inclusion. Les résultats des mesures viscoélastiques (G', G") ont été validés avec la technique HFVS (Hyper-Fréquence viscoélastique Spectroscopy). Des valeurs similaires, G' et G’’, ont été obtenues avec les deux techniques. Ce dernier résultat valide la nouvelle méthode de post-traitement pour mesurer les propriétés viscoélastiques. Résumé de l'étude in vivo. L'objectif de cette étude in vivo a été de développer des protocoles ERM pour caractériser les propriétés élastiques (module de cisaillement) des neuf muscles de la cuisse. Ces tests ont été effectués à une seule fréquence (90 Hz). Différents modules de cisaillement ont été trouvés entre les muscles. Le gracilis a révélé des propriétés élastiques plus élevées que les autres muscles. Ces différentes élasticités peuvent être dues à différentes compositions physiologiques et architecturales entre les tissus. Ensuite, les propriétés viscoélastiques des muscles ischio (ST, SM, et la BC) et du muscle Gr ont été déterminées en appliquant la nouvelle méthode de post-traitement des données (précédemment validée sur le fantôme 50%) avec des tests ERM multi fréquences (70, 90 et 120 Hz) et en utilisant des modèles rhéologiques. Les résultats ont montré que deux modèles rhéologiques, Zener et springpot, peuvent être utilisés pour mesurer les propriétés viscoélastiques des muscles à l’état passif. De plus, des résultats similaires ont été trouvés entre G "/ G ', obtenus expérimentalement à 90 Hz, et la valeur α du modèle de springpot
Summary of the vitro studies. The objective of this in vitro study was to create a phantom witch the same muscle architecture (fiber, aponeurosis …) and mechanical properties of muscle in passive and active states. Two homogeneous phantoms were manufactured with different concentrations of plastisol to simulate the muscle elastic properties in passive (50% of plastisol) and active (70% of plastisol) muscle conditions. Moreover, teflon tubing pipes (D = 0.9 mm) were thread in the upper part of the phantom (50%) to represent the muscle fibers and a plastic sheet (8 x 15 cm) was also included in the middle of the phantom to mimic the aponeurosis structure. Subsequently, MRE tests were performed at 90Hz with two different pneumatic drivers, tube and round shapes, to analyze the effect of the type of driver on the wave propagation. The wavelength was measured from the phase images and the elastic properties (shear modulus) were calculated. Both phantoms revealed elastic properties which were in the same range as in vivo muscle in passive (2.40 ± 0.18 kPa) and active (6.24 ± 0.21 kPa) states. The impact of the type of driver showed higher values with the tube (range: 1.2 kPa to 1.53 kPa). The analysis of the wave behavior revealed a sliding along the plastic sheet as it was observed for in vivo muscle study. The wave was also sensitive to the presence of the fibers where gaps were identified. A new post processing method was established to measure G’ and G” from experimental multi frequencies (60, 80, 100 Hz) MRE (MMRE) tests and rheological models. This method was tested on the phantom (50%) made without fiber. Cross validation of the viscoelastic (G’, G”) results was made with Hyper-Frequency Viscoelastic Spectroscopy (HFVS). Both techniques showed similar range of values for G’ and G” at the same frequencies. This last result validated our new data processing for the viscoelastic measurement. Summary of the in vivo studies. The objective of this in vivo study was to develop MRE protocols to characterize the elastic properties (shear modulus) of the nine thigh muscles. These tests were performed at a single frequency (90Hz). Different shear moduli were found between the muscles. The gracilis revealed the highest elastic properties compared to all the other muscles. These different elasticities may be due to different physiological and architectural compositions between the tissues. Then the viscoelastic properties of the ischio (ST, SM, and BC) and Gr muscles were determined based on our new data-processing method (validated on the phantom 50%) using MMRE tests (70, 90 and 120Hz) and rheological models. The results revealed that two rheological models, zener and springpot, can be used to measure the viscoelastic properties in passive state. A similar trend was found between the experimental ratios G”/G’ obtained at 90 Hz and the α value of the springpot model. The present MRE muscle protocol, and the viscoelastic data base, could be used as non-invasive diagnostic tools to evaluate tissue alterations, the progression of diseases, and the effect of treatments, such as the ongoing therapeutic trials for Duchenne muscular dystrophy

Actuellement, l’étude du mouvement des tissus biologiques figure parmi les thématiques majeures dans le domaine de l’imagerie médicale, dont le challenge est d’apporter un complément d’information clinique et de permettre une aide au diagnostic. L’application récente de techniques d’élastographie ouvre de nouvelles perspectives de caractérisation biomécanique des tissus, et notamment du cerveau. Dans ce contexte, nous proposons une méthodologie innovante d’élastographie passive des propriétés mécaniques du tissu cérébral dont le but est de permettre à terme le diagnostic des maladies neurodégénératives
The study of biological tissues movement is currently, one of the major thematics in the medical imaging field. The challenge is to provide additional clinical information and allow for diagnostic assistance. The recently introduced elastographic techniques, provide ample opportunities for biomechanical tissues characterization, particularly of cerebral tissues. An innovative passive-elastographic methodology for assessing mechanical properties of brain tissue is proposed. The eventual aim is to allow for the diagnosis of neurodegenerative diseases

Les muscles infraépineux et petit rond sont cruciaux sur le plan fonctionnel et sont altérés dans le cadre des pathologies de la coiffe des rotateurs. La proportion de tissu graisseux dans l’infraépineux est actuellement un critère pronostic du résultat fonctionnel des réparations des lésions tendineuses de la coiffe des rotateurs. Les buts de ce travail sont de caractériser ces muscles sur le plan anatomique, de proposer une meilleure exploration de leur morphologie par IRM, d’utiliser l’analyse de texture informatique pour objectiver leur composition et enfin, d’utiliser l’élastographie ultrasonore pour analyser leur comportement viscoélastique en contrainte. L’infraépineux et le petit rond sont respectivement de conformation tripennée et parallèle. Les critères d’acquisition IRM de routine peuvent être aisément optimisés pour analyser plus précisément les muscles rotateurs externes. L’analyse de texture semble prometteuse pour évaluer la proportion de tissu graisseux dans le muscle squelettique. L’élastographie ultrasonore permet d’appréhender le degré d’anisotropie musculaire, et donc l’état d’organisation du muscle infraépineux
Infraspinatus and teres minor muscles are crucial functionally and are regularly impaired in the context of of the rotator cuff pathology. The proportion of fatty tissue in the infraspinatus is currently a strong prognosis criterion of functional outcomes of rotator cuff tendon repair. The goals of this work are to characterize these muscles anatomically, to provide a better exploration of their morphology by MRI, to use computer texture analysis to objectify their composition and finally to use the ultrasound elastography for analysing their viscoelastic behaviour under stress. Infraspinatus and teres minor muscles have a tripennate and parallel organization, respectively. Routine MRI acquisition criteria can be easily optimized to analyse more precisely the external rotator muscles. Texture analysis seems promising to assess the proportion of fatty tissue in the skeletal muscle. The ultrasound elastography allows us to estimate the degree of muscle anisotropy, and therefore the state of organization of the infraspinatus muscle

Les travaux menés lors de cette thèse portent sur le développement d'une approche passive d'Elastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. Inspirée des techniques de corrélation de bruit sismique développée en séismologie, et du retournement temporel en acoustique. L'Elastographie passive utilise des ondes de cisaillement naturellement présentent dans le corps humain pour extraire les propriétés mécaniques des tissues biologiques. La faisabilité de cette approche passive est démontrée pour divers applications. En ultrason, un échographe à cadence lente ont été utilisés pour le guidage du traitement par ultrason à haut intensité dans une étude préclinique. Puis l'utilisation d'un échographe ultra-rapide pour la reconstruction des cartes de vitesses dans des gels calibrés ainsi que in-vivo. L'Elastographie passive par résonnance magnétique a été également mise en place pour imager les mouvements naturels dans le cerveau d'un volontaire sain et la réalisation d'une tomographie de longueurs d'ondes. En optique pour des applications en ophtalmologie ou en dermatologie, la faisabilité de l'Elastographie passive par cohérence optique a été démontrée dans un gel puis in-vivo dans l'œil d'une souris pour des. Puis une preuve du concept d'un dispositif d'imagerie d'ondes de surfaces complètement optique été testé dans des gels plan, courbé, isotrope ou anisotrope. Finalement, la limite de la résolution de l'Elastographie passive par ultrason est évaluée
The aim of this thesis was the development of a new approach called passive elastography. This approach is inspired from noise correlation methods well developed in seismology and time reversal technics in acoustics. Passive elastography uses shear waves naturally induced in the human body to extract its mechanical properties of soft tissue. The feasibility of this method was tested in several applications. First in ultrasound, slow frame rate ultrasound scanner was used to monitor high intensity focused ultrasound treatment on porcine pancreas. Then, an ultrafast ultrasound scanner was used to retrieve shear wave speed map in a calibrated phantom and in-vivo. Second, Magnetic resonance elastography was implemented to image natural motion in the brain of healthy volunteers and conduct shear wavelength tomography. Third, of ophthalmological and dermatological applications, optical coherence passive elastography was tested in a phantom and a cornea of healthy mouse. Also, a fully optical setup was established to image surface wave for elastography applications. Finally, the resolution limit of elastography was measured using and ultrasound ultrafast scanner

L'élastographie-IRM du sein (MRE) est une technique d'imagerie fonctionnelle non invasive utilisant les propriétés visco-élastiques des tissus et qui permet comme en élastographie-échographie d'évaluer la rigidité d'une lésion. Il est également possible, à la différence de l'élastographie-échographie, d'évaluer le degré de viscosité d'une lésion, et ainsi grâce à la combinaison élasticité/viscosité, comparée à l'analyse des paramètres IRM classiques comme la morphologie ou la cinétique de rehaussement, d'améliorer la caractérisation lésionnelle. Très peu d'études en élastographie-IRM du sein ont été menées à ce jour, essentiellement du fait d'une problématique instrumentale et de mise à disposition d'une antenne dédiée sein équipé d'un dispositif de génération des ondes de cisaillement dans le sein. Dans un premier temps, nous avons pu établir et optimiser une séquence élasto-IRM du sein sur une série de 10 volontaires saines. Cette séquence basée sur un principe de séquence Spin Echo EPI-MRE 3D, a permis l'acquisition de 50 coupes en 10 minutes sur un sein, compatible avec la pratique clinique en IRM du sein. Une approche multifréquence à 37,5 Hz, 75 Hz et 112,5 Hz a été ensuite testée sur les trois dernières volontaires puis transférées à notre population de patientes. Cette séquence multifréquence permettait la continuité de diffusion des ondes dans le sein. 50 patientes présentant des lésions indéterminées ou suspectes du sein (37 cancers, 13 bénins) ont ensuite été incluses dans ce protocole et examinées par IRM du sein classique avec séquence supplémentaire élasto-IRM. Certaines patientes étaient aussi examinées en élasto-échographie. Les données IRM morphologiques, dynamiques et de visco-élasticité IRM ont été corrélées à l'histologie. Nous avons pu montrer que les paramètres visco-élastiques IRM étaient fortement corrélés avec le score de malignité d'une lésion (Bi-RADS ACR) et avec le caractère différentiel bénin/malin. C'est notamment le paramètre Gd qui représente l'élasticité, qui était plus faible en cas de lésion suspecte BI-RADS 5. Le paramètre Gl était plus élevé dans les lésions malignes par rapport aux lésions bénignes, avec un niveau de viscosité statistiquement supérieur dans les lésions malignes. Le meilleur paramètre semble être le rapport y (Gl/Gd) qui était aussi significativement élevé dans les lésions malignes par comparaison avec les lésions bénignes du sein, et qui a été analysé comme un facteur indépendant. En pratique, l'ajout de la séquence MRE à un examen IRM du sein classique a permis dans notre étude d'améliorer significativement la sensibilité de l'IRM (de 78 à 91 %) sans perte de spécificité, celle-ci étant initialement très bonne dans cette étude. Nous n'avons pas en revanche établi de lien entre la fibrose, la quantification vasculaire ou la nécrose pour expliquer ces phénomènes de visco-élasticité des tumeurs. En conclusion, l'élasto-IRM peut s'avérer utile pour améliorer le diagnostic de lésions du sein en IRM. Une poursuite des travaux avec optimisation de la séquence pour qu'elle puisse permettre l'analyse des deux seins sera nécessaire pour sa diffusion en pratique clinique. Ce travail pourrait idéalement se poursuivre sur une plus grande série de patientes.

L'objectif de cette thèse est de développer et d'évaluer des paramètres quantitatifs de l'IRM de la prostate en discriminant les cancers de score de Gleason (GS) ≥7. Nous supposons que les paramètres quantitatifs de l'IRM pourraient aider à standardiser le diagnostic, et à diminuer la variation inter-lecteur et/ou inter-institution du diagnostic du cancer de la prostate. Cette thèse est divisée en trois chapitres. Le premier chapitre, intitulé « IRM T2 quantitatif de la prostate », est une étude rétrospective sur une base de données des patients avant prostatectomie radicale. Le deuxième chapitre, intitulé « IRM multiparamétrique quantitative de la prostate », est aussi une étude rétrospective avant prostatectomie radicale. Le troisième chapitre, intitulé « Élastographie IRM de la prostate par voie trans-périnéale» est une étude expérimentale. Notre première étude montre que le T2 est robuste sur les machines de constructeurs différents. Le T2 est un prédicteur significatif, mais de faible performance, d'agressivité du cancer de la prostate à 3T. Notre deuxième étude montre que la combinaison du 10ème centile de l'ADC avec le Time-topeak (TTP) améliore la performance du diagnostic, et ce modèle est lui aussi robuste entre des machines de constructeurs différents. Notre troisième étude montre les résultats préliminaires sur l'élasticité de la prostate. Ces résultats montrent que l'élastographie IRM de la prostate en haute fréquence d'excitation (>100 Hz) par voie trans-périnéale est faisable. L'élastographie pourrait à l'avenir être intégrée à l'IRM multiparamétrique quantitative pour améliorer la performance de diagnostic
The purpose of this thesis is to develop and evaluate the quantitative methods of multiparametric MRI of prostate in discriminating Gleason score (GS) ≥7 cancers. We suppose that the quantitative parameter of MRI could help standardizer the diagnostic, reduce the inter-lecture and/ or inter-institution variation in diagnostic of prostate cancer. This thesis is divided into three chapters. The firs chapter, entilted « Quantitative T2 MRI of prostate » is a retrospective study on a database of prostate cancer patients before radical prostatectomy. The second chapter, entilted « Multi-parametric Quantitative MRI of prostate » is also a retrospective study before radical prostatectomy. The third chapter, entitled « MR elastography of prostate by transperineal approach », is an experimental study. Our first study shows that T2 value is robust between machines of different constructors. T2 value is significant predictor, but of weak performance, of aggressively cancer of prostate at 3T. Our second study shows that the combination of ADC_10th percentile with Time-to-peak (TTP) improved the diagnosis performance, and this model is also robust between two machines of different constructors. Our third study shows the initial results on elasticity of the prostate. These results show that MRI elastography of prostate at high excitation frequency (>100 Hz) by trans-perineale approach was feasible. The elastography may, in the future, be integrated in quantitative multi-parametric MRI to improve the diagnosis performance

Nous avons développé un système de diagnostic assisté par ordinateur (CAD) basé sur des régions d'intérêt pour caractériser le cancer de la prostate avec un grade de l'International Society of Urological Pathology (ISUP) ≥2 lors d'une IRM multiparamétrique (IRM-mp). Les paramètres de l'image provenant de 2 jeux de données multi-constructeurs de 265 IRM pré-prostatectomie et 112 IRM pré-biopsie ont été combinés en utilisant la régression logistique. Les meilleurs modèles contenaient le 2e percentile d’ADC (ADC2) et le taux de rehaussement normalisé (WI) dans la zone périphérique (ZP) et le 25e percentile d'ADC (ADC25) dans la zone de transition (ZT). Ils ont été associés dans le système CAD. Le CAD a été évalué rétrospectivement sur 2 jeux de données multi-constructeurs contenant respectivement 158 et 105 IRM pré-biopsie de notre institution (test interne) et d'une autre institution (test externe). Deux radiologues ont indépendamment décrit les lésions ciblées par la biopsie. Le score PI-RADSv2 (Prostate Imaging-Reporting and Data System version 2) attribué prospectivement lors de la biopsie et le score CAD ont été comparés aux résultats de la biopsie. A l’échelle des patients, les aires sous la courbe Receiver Operating Characteristic (AUC) du score PI-RADSv2 étaient de 82% (IC 95% : 74-87) et 85% (IC 95% : 79-91) dans les jeux de données de test interne et externe respectivement. Pour les deux radiologues, le score CAD avait des AUC similaires dans les jeux de données interne (82%, IC 95% : 76-89, p=1 ; 84%, IC 95% : 78-91, p=1) et externe (82%, IC 95% : 76-89, p=0.82 ; 86%, IC 95% : 79-93, p=1). La combinaison du PI-RADSv2 et du CAD aurait pu éviter 41 à 52% des biopsies tout en manquant 6 à 10% des cancers ISUP≥2. Le système CAD a confirmé sa robustesse dans une étude multicentrique impliquant 22 scanners et des protocoles d'imagerie très hétérogènes. Dans l'analyse par patient, le CAD et le PI-RADSv2 avaient des performances similaires en termes d’AUC (76%, IC 95% : 70-82 contre 79%, IC 95% : 73-86 ; p=0.34) et de sensibilité (86%, IC 95% : 76-96 contre 89%, IC 95% : 79-98 pour le PI-RADSv2≥4). La spécificité du CAD (62%, IC 95% : 53-70 contre 49% ; IC 95% : 39-59 pour le PI-RADSv2≥4) permettait une complémentarité avec le score PI-RADSv2 pour potentiellement éviter 50% des biopsies, tout en manquant 13% des cancers ISUP≥2. Ces résultats étaient similaires à ceux rapportés dans les cohortes de test issues d’un unique centre et ont ouvert la voie à de nouvelles applications du CAD. Le CAD a d’abord permis une bonne discrimination des cancers ISUP≥2 chez des patients placés en surveillance active. Son AUC (80% ; IC 95% : 74-86) était similaire à celle du score PI-RADSv2 attribué prospectivement par des uro-radiologues spécialisés (81%, IC 95% : 74-87 ; p=0.96). Le CAD était plus spécifique que les scores PI-RADS≥3 (p<0.001) et PI-RADS≥4 (p<0.001). Il pourrait offrir une solution pour sélectionner les patients pouvant éviter sans risque une biopsie de confirmation ou de suivi dans le cadre de leur surveillance active (25%). Il manquerait alors 5% des cancers ISUP≥2. Le CAD a enfin été confronté aux IRM-mp pré-prostatectomie de 56 patients japonais, issus d’une population qui est géographiquement éloignée de sa population d’entraînement et qui intéresse de par ses faibles taux d’incidence et de mortalité du cancer de la prostate. Son AUC était alors similaire au score PI-RADSv2 attribué par un radiologue expérimenté dans la ZP (80%, IC 95% : 71-90 contre 80%, IC 95% : 71-89 ; p=0.886) et dans la ZT (79%, IC 95% : 66-90 contre 93%, 95%CI : 82-96 ; p=0.051). Ces résultats prometteurs et robustes sur des jeux de données hétérogènes suggèrent que le CAD pourrait être utilisée dans la routine clinique quotidienne comme un second lecteur pour aider à sélectionner les patients pouvant éviter la biopsie en toute sécurité. Ce CAD pourrait aider les lecteurs moins expérimentés à caractériser les lésions de la prostate
We developed a region of interest-based (ROIs) computer-aided diagnosis system (CAD) to characterize International Society of Urological Pathology grade (ISUP) ≥2 prostate cancers at multiparametric MRI (mp-MRI). Image parameters from two multi-vendor datasets of 265 pre-prostatectomy and 112 pre-biopsy MRIs were combined using logistic regression. The best models used the ADC 2nd percentile (ADC2) and normalized wash-in rate (WI) in the peripheral zone (PZ) and the ADC 25th percentile (ADC25) in the transition zone (TZ). They were combined in the CAD system. The CAD was retrospectively assessed on two multi-vendor datasets containing respectively 158 and 105 pre-biopsy MRIs from our institution (internal test dataset) and another institution (external test dataset). Two radiologists independently outlined lesions targeted at biopsy. The Prostate Imaging-Reporting and Data System version 2 (PI-RADSv2) score prospectively assigned at biopsy and the CAD score were compared to biopsy findings. At patient level, the areas under the Receiver Operating Characteristic curve (AUC) of the PI-RADSv2 score were 82% (95% CI: 74-87) and 85% (95% CI: 79-91) in the internal and external test datasets respectively. For both radiologists, the CAD score had similar AUC results in the internal (82%, 95% CI: 76-89, p=1; 84%, 95% CI: 78-91, p=1) and external (82%, 95% CI: 76-89, p=0.82; 86%, 95% CI: 79-93, p=1) test datasets. Combining PI-RADSv2 and CAD findings could have avoided 41-52% of biopsies while missing 6-10% of ISUP≥2 cancers. The CAD system confirmed its robustness showing good discrimination of ISUP ≥2 cancers in a multicentric study involving 22 different scanners with highly heterogeneous image protocols. In per patient analysis, the CAD and the PI-RADSv2 had similar AUC values (76%, 95% CI: 70-82 vs 79%, 95% CI: 73-86; p=0.34) and sensitivities (86%, 95% CI: 76-96 vs 89%, 95% CI: 79-98 for PI-RADSv2 ≥4). The specificity of the CAD (62%, 95% CI: 53-70 vs 49%, 95% CI: 39-59 for PI-RADSv2 ≥4) could be used to complement the PI-RADSv2 score and potentially avoid 50% of biopsies, while missing 13% of ISUP ≥2 cancers. These findings were very similar to those reported in the single center test cohorts. Given its robustness, the CAD could then be exploited in more specific applications. The CAD first provided good discrimination of ISUP ≥2 cancers in patients under Active Surveillance. Its AUC (80%, 95% CI: 74-86) was similar to that of the PI-RADS score prospectively assigned by specialized uro-radiologists at the time of biopsy (81%, 95% CI: 74-87; p=0.96). After dichotomization, the CAD was more specific than the PI-RADS ≥3 (p<0.001) and the PI-RADS ≥4 scores (p<0.001). It could offer a solution to select patients who could safely avoid confirmatory or follow-up biopsy during Active Surveillance (25%), while missing 5% of ISUP≥2 cancers. Finally, the CAD was tested with the pre-prostatectomy mp-MRIs of 56 Japanese patients, from a population which is geographically distant from its training population and which is of interest because of its low prostate cancer incidence and mortality. The CAD obtained an AUC similar to the PI-RADSv2 score assigned by an experience radiologist in the PZ (80%, 95% CI: 71-90 vs 80%, 95% CI: 71-89; p=0.886) and in the TZ (79%, 95% CI: 66-90 vs 93%, 95%CI: 82-96; p=0.051). These promising and robust results across heterogeneous datasets suggest that the CAD could be used in clinical routine as a second opinion reader to help select the patients who could safely avoid biopsy. This CAD may assist less experience readers in the characterization of prostate lesions

Résumé : L’imagerie testiculaire développée dans notre unité a deux thématiques principales : l’infertilité et la caractérisation tumorale. Cette imagerie est basée sur l’échographie et l’IRM multiparamétriques. Nous avons défini des critères diagnostiques pour différentes pathologies, ayant un impact sur la prise en charge des patients, et évalué des modalités innovantes.Nous avons caractérisé l’aspect des testicules de patients infertiles porteurs d’un syndrome de Klinefelter. Nous avons déterminé l’aspect en Mode B et en Doppler couleur des tumeurs à cellules de Leydig dont la plupart sont actuellement découvertes de façon fortuite et peuvent bénéficier d’une surveillance ou d’une tumorectomie. Nous avons défini les critères diagnostiques des tumeurs éteintes ou «burned out tumors» découvertes en écho-Doppler chez des patients adressés pour bilan d’infertilité.Nous avons montré la capacité de l’IRM multiparamétrique à améliorer la caractérisation tumorale, par l’analyse qualitative et quantitative du rehaussement et par la valeur du coefficient de diffusion (ADC).L’échographie de contraste a montré des différences significatives entre les tumeurs éteintes et les autres lésions.L’élastographie par onde de cisaillement a montré des différences de dureté entre les testicules des patients infertiles par mécanisme obstructif et non obstructif mais le chevauchement des valeurs minimise l’impact clinique potentiel. Les tumeurs bénignes à cellules de Leydig étaient plus molles que les tumeurs malignes et les tumeurs éteintes. Le couplage des informations données par le mode B, le Doppler couleur, et l’élastographie ont permis une caractérisation optimale.Le Doppler ultrasensible a permis une analyse qualitative de l’architecture vasculaire des tumeurs, de la vascularisation testiculaire dans les urgences scrotales et une quantification de la vascularisation testiculaire. Nous avons objectivé une diminution de la vascularisation testiculaire pendant la manœuvre de Valsalva chez les patients avec varicocèle, ce qui représente une explication physiopathologique à l’infertilité par mécanisme hypoxique
The testicular imaging we developped in our department focused on two main subjects: infertility and tumoral characterization. It is based on multiparametric ultrasound and MRI. We defined diagnostic criteria of several pathologies, which may change the patient’s management, and we evaluated new modalities.We characterized Klinefelter patient’s testis.We determined the Color-Doppler features of Leydig cell tumors which are currently incidentally discovered and can benefit from monitoring or tumorectomy.We defined multiparametric US and MRI diagnostic’s criteria of burned out tumors in patients referred for US infertility screening.We demonstrated the ability of multiparametric MRI to improve the tumoral characterization using qualitative and quantitative enhancement parameters and apparent diffusion coefficient values.CEUS showed significant differences between the burned out tumors and other lesions.. Shear Wave Elastography (SWE) showed significant differences in testicular stiffness between normal, obstructive azoospermia on one side and non-obstructive azoospermic patients, but overlapped values seemed to minimize the potential clinical impact. Benign Leydig cell were softer compared to malignant tumors and burned out tumors. Association of B mode, color Doppler, and elastography allowed an optimal characterization.Ultrasensitive Doppler allowed a qualitative evaluation of the tumoral vascular architecture, a testicular vascularization assessment in case of acute scrotum, and a testicular perfusion quantification. We demonstrated a decreased testicular vascularization during the Valsalva maneuver confirming the hypoxic physiopathological explanation of the infertility process

L'objectif de cette thèse est de développer et d'évaluer des paramètres quantitatifs de l'IRM de la prostate en discriminant les cancers de score de Gleason (GS) ≥7. Nous supposons que les paramètres quantitatifs de l'IRM pourraient aider à standardiser le diagnostic, et à diminuer la variation inter-lecteur et/ou inter-institution du diagnostic du cancer de la prostate. Cette thèse est divisée en trois chapitres. Le premier chapitre, intitulé « IRM T2 quantitatif de la prostate », est une étude rétrospective sur une base de données des patients avant prostatectomie radicale. Le deuxième chapitre, intitulé « IRM multiparamétrique quantitative de la prostate », est aussi une étude rétrospective avant prostatectomie radicale. Le troisième chapitre, intitulé « Élastographie IRM de la prostate par voie trans-périnéale» est une étude expérimentale. Notre première étude montre que le T2 est robuste sur les machines de constructeurs différents. Le T2 est un prédicteur significatif, mais de faible performance, d'agressivité du cancer de la prostate à 3T. Notre deuxième étude montre que la combinaison du 10ème centile de l'ADC avec le Time-topeak (TTP) améliore la performance du diagnostic, et ce modèle est lui aussi robuste entre des machines de constructeurs différents. Notre troisième étude montre les résultats préliminaires sur l'élasticité de la prostate. Ces résultats montrent que l'élastographie IRM de la prostate en haute fréquence d'excitation (>100 Hz) par voie trans-périnéale est faisable. L'élastographie pourrait à l'avenir être intégrée à l'IRM multiparamétrique quantitative pour améliorer la performance de diagnostic
The purpose of this thesis is to develop and evaluate the quantitative methods of multiparametric MRI of prostate in discriminating Gleason score (GS) ≥7 cancers. We suppose that the quantitative parameter of MRI could help standardizer the diagnostic, reduce the inter-lecture and/ or inter-institution variation in diagnostic of prostate cancer. This thesis is divided into three chapters. The firs chapter, entilted « Quantitative T2 MRI of prostate » is a retrospective study on a database of prostate cancer patients before radical prostatectomy. The second chapter, entilted « Multi-parametric Quantitative MRI of prostate » is also a retrospective study before radical prostatectomy. The third chapter, entitled « MR elastography of prostate by transperineal approach », is an experimental study. Our first study shows that T2 value is robust between machines of different constructors. T2 value is significant predictor, but of weak performance, of aggressively cancer of prostate at 3T. Our second study shows that the combination of ADC_10th percentile with Time-to-peak (TTP) improved the diagnosis performance, and this model is also robust between two machines of different constructors. Our third study shows the initial results on elasticity of the prostate. These results show that MRI elastography of prostate at high excitation frequency (>100 Hz) by trans-perineale approach was feasible. The elastography may, in the future, be integrated in quantitative multi-parametric MRI to improve the diagnosis performance

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.
Stroke is a leading cause of death and morbidity worldwide, and a significant proportion of strokes are caused by carotid atherosclerotic plaque rupture. Prevention of stroke in patients with carotid plaque poses a significant challenge to physicians, as risks and benefits of surgical or medical treatments remain equivocal. Many imaging techniques have been developed to identify and study vulnerable (high-risk) atherosclerotic plaques, but none is sufficiently validated or accessible for population screening. Non-invasive vascular elastography (NIVE) is a novel ultrasonic technique that maps carotid plaque strain (elasticity) characteristics to detect its vulnerability; it has not been clinically validated yet. The goal of this project is to evaluate the ability of ultrasound NIVE strain analysis to characterize carotid plaque composition and vulnerability in vivo in patients with significant plaque burden, as determined by the reference standard, high resolution MRI. To undertake this study, a thorough understanding of stroke, atherosclerosis, vulnerable plaque, and current non-invasive carotid plaque imaging techniques is required. Thirty-one subjects underwent NIVE and high-resolution MRI of internal carotid arteries. Of 31 plaques, 9 were symptomatic, 17 contained lipid and 7 were vulnerable on MRI. Strains were significantly lower in plaques containing a lipid core compared to those without lipid, with high sensitivity and moderate specificity. A quadratic fit was found between strain and lipid content. Strains did not discriminate symptomatic patients or vulnerable plaques. In conclusion, ultrasound NIVE is feasible in patients with significant carotid stenosis and can detect the presence of a lipid core. Further studies of plaque progression with NIVE are required to identify vulnerable plaques.