Thermoablationsverfahren werden in der klinischen Routine zur Therapie bei Patienten mit primären Lebertumoren und Lebermetastasen eingesetzt, bei denen von einer Operation abgesehen wird. Die laserinduzierte Thermotherapie (LITT) ist ein minimal invasives radiologisches Verfahren zur perkutanen Tumorablation. Mit der Magnetresonanztomographie (MRT) am Hochfeldtomographen (1.5 Tesla) steht eine radiologische Methode mit der Option einer präzisen Prozesskontrolle der Thermoablation und einer suffizienten Erfolgskontrolle zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit war es, im Tierexperiment die Anwendung der LITT zur Ablation von Pankreasgewebe zu erproben, das Potenzial der MRT für die Prozesskontrolle der LITT am Pankreas zu bestimmen und neue MRT-Sequenzen mit neuen Kontrastmitteln für die Optimierung der Erfolgskontrolle zu erforschen. Die LITT am Pankreas im Rahmen einer Pilotstudie an 15 Läuferschweinen war perkutan komplikationsarm durchführbar, generalisierte Pankreatitiden oder Blutungen traten nicht auf. Die qualitative Prozessbeobachtung mittels thermosensitiver Sequenzen zeigte eine hohe Übereinstimmung zwischen magnetresonanztomographisch dokumentierten Thermoeffekten und histopathologisch verifizierten thermisch induzierten Nekrosen. Die Untersuchung und invasive Kalibrierung verschiedener Messmethoden in vivo zur quantitativen MRT-Thermometrie ergab Vorteile für den Einsatz der Protonenresonanzfrequenz-Methode. Zur Optimierung der Erfolgskontrolle nach LITT von Lebergewebe im Tierexperiment sowie klinisch bei Lebermetastasen wurden die MRT-Kontrastmittel Gadomesoporphyrin, Eisenoxid und Gadobutrol erprobt. Mittels Spätaufnahmen 6 - 18 h post injectionem wurden mit Gadobutrol thermisch induzierte Nekrosen präzise visualisiert. / Thermoablation of primary liver tumors and liver metastases is widely used in patients without surgical options. The laser-induced thermotherapy (LITT) is a minimal invasive radiologic procedure for percutaneous tumor ablation. With high field magnetic resonance imaging at 1.5, monitoring of thermoablation and visualization of thermal induced ablation zones can be performed precisely. Aim of this work was to investigate the feasibility of MR-guided LITT of pancreatic tissue and to optimise the contrast between thermal induced lesions, residual tumor and normal tissue after LITT procedure. MR-guided LITT was feasible in 15 female pigs, generalized pancreatitis or bleeding did not occur. MR monitoring by thermosensitive sequences precisely visualized thermal induced ablation zones verified by histopathologic examination. Best results of MR thermometry (thermo-mapping) were obtained by proton resonance frequency method. Gadolinum- mesoporphyrine, superparamagnetic iron oxides (SPIO) and gadobutrol were used to optimise ablation control. Late enhanced imaging 6 - 18 hours after injection of gadobutrol precisely visualized thermal induced necrosis. In conclusion, percutaneous MR guided LITT of pancreatic tissue of female pigs was feasible and monitoring of thermoablation could be performed accurately. In contrast to other imaging methods, MR using new contrast agents enables accurate visualization of thermal induced necrosis.

La thèse s’articule autour du développement des thermothérapies hépatique et cardiaque guidées par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM). La première partie est axée sur le développement d’une méthode permettant d’augmenter la taille des lésions induites par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). Le seuil de d’intensité acoustique fut déterminé par IRM de la force de radiation acoustique et l’effet caractérisé par IRM de température ex vivo et in vivo dans le foie de porc. La deuxième partie présente le développement d’une méthode permettant une focalisation HIFU hépatique intercostale avec utilisation de la déflection électronique du faisceau pour le suivi du mouvement respiratoire ou /et une ablation multipoint. La méthode proposée repose sur une mise à jour des éléments du transducteur HIFU à désactiver en fonction du point de focalisation sélectionné, à partir d’une projection géométrique de l’ombre des côtes sur la surface du transducteur, mesurée sur des images IRM anatomiques. Nous avons montré qu’il est possible de réduire significativement le chauffage des côtes tout en conservant une élévation de température dans le foie suffisante pour induire une lésion thermique. La troisième partie expose la mise en place de l’IRM de température pour le monitoring des ablations par radiofréquences (RF) dans le cœur. Plusieurs aspects sont abordés, notamment la précision de la thermométrie, la possibilité de réaliser des ablations thermiques par cathéter RF sous IRM de température in vivo dans le cœur de brebis, ainsi que l’utilisation du cathéter comme sonde d’imagerie dans l’objectif d’accroitre la précision de la thermométrie cardiaque. / My manuscript studies the development of mini and non invasive thermotherapies guided by magnetic resonance imaging (MRI) in the treatment of hepatic and cardiac diseases. The first part was the development of a method to increase the lesion size, induced by HIFU, and based on bubble enhanced heating (BEH). The acoustic power threshold of the BEH was determined by MR acoustic radiation force imaging (MR-ARFI) and the thermal effect was characterized by MR thermometry on ex vivo and in vivo in pig livers. The second part developed a strategy to perform HIFU through the rib cage using beam steering to track the respiratory movement or to performed multipoint ablation while avoiding heating of ribs. Transducer elements localized in the geometric projection of the shadow of ribs, relatively to the targeted focal point, were switched off.The third part was the development of the MR thermometry on the heart for the monitoring of radiofrequency ablation (RFA). Several aspects were investigated, in particular the thermometry precision, the feasibility to perform catheter radiofrequency ablation under MR thermometry in vivo in a sheep heart, the possibility to use the catheter as an MR antenna to increase spatial resolution of MR thermometry images.

Ce mémoire de thèse aborde la caractérisation expérimentale du transfert thermique à l’échelle nanométrique dans des matériaux compatibles avec les procédés de la micro-électronique. Pour cela deux techniques de caractérisation sont appliquées chacune à deux différents systèmes, le silicium mésoporeux irradié et les membranes de silicium suspendues. La première technique de caractérisation est la thermométrie micro-Raman. La puissance du laser chauffe l'échantillon exposé. La détermination de la conductivité thermique nécessite la modélisation de la source de chaleur par la méthode des éléments finis. Dans les cas considérés la modélisation de la source de chaleur repose sur différents paramètres qui doivent être soigneusement déterminés. La seconde technique de caractérisation est la microscopie à sonde locale (d’acronyme anglais SThM), basée sur le principe de la microscopie à force atomique (d’acronyme anglais AFM). Utilisée en mode actif, la sonde AFM est remplacée par une sonde résistive de type Wollaston qui est chauffée par effet Joule. Utilisée en mode AFM contact, cette technique permet une excitation thermique locale du matériau étudié. La détermination de la conductivité thermique nécessite l'analyse de la réponse thermique de la sonde au moyen d'échantillons d'étalonnage et également via la modélisation dans le cas des géométries complexes. L'effet de la position de la pointe sur le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon est étudié. Une nouvelle méthode de découplage entre le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon, respectivement à travers l'air et au contact, est proposée pour la détermination de la conductivité thermique des géométries complexes. Les résultats obtenus avec les deux techniques pour les échantillons de silicium mésoporeux irradiés à l’aide d’ions lourds dans le régime électronique sont en bon accord. Ils montrent la dégradation de la conductivité thermique du silicium mésoporeux suite à une augmentation dans la phase d’amorphe lorsque la dose d’irradiation croît. Les résultats obtenus sur les membranes de silicium suspendues montrent une réduction de la conductivité thermique de plus de 50 % par rapport au silicium massif. Lorsque la membrane est perforée périodiquement afin de réaliser une structure phononique de période inférieure à 100 nm, cette réduction est approximativement d’un ordre de grandeur. Un chapitre introduisant un matériau prometteur à base de silicium pour observer des effets de cohérence phononique conclut le manuscrit. / This PhD thesis deals with the experimental characterization of heat transfer at the nanoscale in materials compatible with microelectronic processes. Two characterization techniques are applied to two different systems, irradiated mesoporous silicon and suspended silicon membranes. The first characterization technique is micro-Raman thermometry. The laser power heats up the exposed sample. The determination of the thermal conductivity requires the modeling of the heat source using finite element simulations. The modeling of the heat source relies on different parameters that should be carefully determined. The second characterization technique is Scanning Thermal Microscopy (SThM), an Atomic Force Microscopy (AFM)-based technique. Operated in its active mode, the AFM probe is replaced by a resistive Wollaston probe that is heated by Joule heating. Used in AFM contact mode, this technique allows a local thermal excitation of the studied material. The determination of the thermal conductivity requires the analysis of the thermal response of the probe using calibration samples and modeling when dealing with complicated geometries. The effect of the tip position on heat transfer between the tip and the sample is studied. A new method decoupling the heat transfer between the tip and the sample, at the contact and through air, is proposed for determining the thermal conductivity of complicated geometries. The results obtained from the two techniques on irradiated mesoporous silicon samples using heavy ions in the electronic regime are in good agreement. They show a degradation of the thermal conductivity of mesoporous silicon due to the increase in the amorphous phase while increasing the ion fluence. The results obtained on suspended silicon membrane strips show a decrease in the thermal conductivity of more than 50 % in comparison to bulk silicon. When perforated into a phononic structure of sub-100 nm period, the membrane thermal conductivity is about one order of magnitude lower than the bulk. A chapter introducing a promising silicon-based material for the evidence of phonon coherence concludes the manuscript.

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This thesis is concerned with the development and application of laser induced thermal grating spectroscopy (LITGS) as a tool for thermometry in reacting and non-reacting flows. LITGS signals, which require resonant excitation of an absorbing species in the measurement region to produce a thermal grating, are acquired for systematic measurements of temperature in high pressure flames using OH and NO as target absorbing species in the burned gas. The signal obtained in LITGS measurements appears in the form of a time-based signal with a characteristic frequency proportional to the value or the sound speed of the local medium. With knowledge of the gas composition, the temperature can be derived from the speed of sound measurement. LITGS thermometry using resonant excitation of OH in the burned gas region of in oxygen enriched CH4/O2/N2 and CH4/air laminar flames was performed at elevated pressure (0.5 MPa) for a range of conditions. Measurements were acquired in oxygen enriched flames to provide an environment in which to demonstrate LITGS thermometry under high temperature conditions (up to 2900 K). The primary parameters that influence the quality of LITGS signal were also investigated. The signal contrast, which acts as a marker for the strength of the frequency oscillations, is shown to increase with an increase in the burnt gas density at the measurement point. LITGS employing resonant excitation of NO is also demonstrated for quantitative measurements of temperature in three environments – a static pressure cell at ambient temperature, a non-reacting heated jet at ambient pressure and a laminar premixed CH4/NH3/air flame operating at 0.5 MPa. Flame temperature measurements were acquired at various locations in the burned gas close to a water-cooled stagnation plate, demonstrating the capability of NO-LITGS thermometry for measuring the spatial distribution of temperature in combustion environments. In addition, the parameters that in influence the local temperature rise due to LITGS were also investigated in continuous vapour flows of acetone/air and toluene/air mixtures at atmospheric conditions. Acetone and toluene are commonly targeted species in previous LITGS measurements due to their favourable absorption characteristics. Results indicate that LITGS has the potential to produce accurate and precise measurements of temperature in non-reacting flows, but that the product of the pump intensity at the probe volume and the absorber concentration must remain relatively low to avoid significant localised heating of the measurement region.

Die vorliegende Arbeit untersucht die grundsätzliche Machbarkeit, Radiofrequenzimpulse (RF) der Ultrahochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie (MRT) (B0≥7.0T) für therapeutische Verfahren wie die RF Hyperthermie oder die lokalisierte Freigabe von Wirkstoffträgern und Markern zu nutzen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein 8-Kanal Sened/Empfangsapplikator entwickelt, der bei einer Protonenfrequenz von 298MHz operiert. Mit diesem weltweit ersten System konnte in der Arbeit experimentell bewiesen werden, dass die entwickelte Hardware sowohl zielgerichtete lokalisierte RF Erwärmung als auch MR Bildgebung und MR Thermometrie (MRTh) realisiert. Mit den zusätzlichen Freiheitsgraden (Phase, Amplitude) eines mehrkanaligen Sendesystems konnte aufgezeigt werden, dass der Ort der thermischen Dosierung gezielt verändert bzw. festgelegt werden kann. In realitätsnahen Temperatursimulationen mit numerischen Modellen des Menschen, wird in der Arbeit aufgezeigt, dass mittels des entwickelten Hybridaufbaus eine kontrollierte und lokalisierte thermische Dosierung im Zentrum des menschlichen Kopfes erzeugt werden kann. Nach der erfolgreichen Durchführung dieser Machbarkeitsstudie wurden in theoretischen Überlegungen, numerischen Simulationen und in ersten grundlegenden experimentellen Versuchen die elektromagnetischen Gegebenheiten von MRT und lokal induzierter RF Hyperthermie für Frequenzen größer als 298MHz untersucht. In einem Frequenzbereich bis zu 1.44GHz konnte der Energiefokus mit Hilfe spezialisierter RF Antennenkonfigurationen entscheidend weiter verkleinert werden, sodass Temperaturkegeldurchmesser von wenigen Millimetern erreicht wurden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Konzepte ausreichende Signalstärke der zirkular polarisierten Spinanregungsfelder bei akzeptabler oberflächlicher Energieabsorption erzeugen, um eine potentielle Machbarkeit von in vivo MRT bei B0=33.8T oder in vivo Elektronenspinresonanz (ESR) im L-Band zu demonstrieren. / The presented work details the basic feasibility of using radiofrequency (RF) fields generated by ultrahigh field (UHF) magnetic resonance (MR) (B0≥7.0T) systems for therapeutic applications such as RF hyperthermia and targeted drug delivery. A truly hybrid 8-channel transmit/receive applicator operating at the 7.0T proton MR frequency of 298MHz has been developed. Experimental verification conducted in this work demonstrated that the hybrid applicator supports targeted RF heating, MR imaging and MR thermometry (MRTh). The approach offers extra degrees of freedom (RF phase, RF amplitude) that afford deliberate changes in the location and thermal dose of targeted RF induced heating. High spatial and temporal MR temperature mapping can be achieved due to intrinsic signal-to-noise ratio (SNR) gain of UHF MR together with the enhanced parallel imaging performance inherent to the multi-channel receive architecture used. Temperature simulations in human voxel models revealed that the proposed hybrid setup is capable to deposit a controlled and localized RF induced thermal dose in the center of the human brain. After demonstrating basic feasibility, theoretical considerations and proof-of-principle experiments were conducted for RF frequencies of up to 1.44GHz to explore electrodynamic constraints for MRI and targeted RF heating applications for a frequency range larger than 298MHz. For this frequency regime a significant reduction in the effective area of energy absorption was observed when using dedicated RF antenna arrays proposed and developed in this work. Based upon this initial experience it is safe to conclude that the presented concepts generate sufficient signal strength for the circular polarized spin excitation fields with acceptable specific absorption rate (SAR) on the surface, to render in vivo MRI at B0=33.8T or in vivo electron paramagnetic resonance (EPR) at L-Band feasible.