Während der Tumorprogression unterliegen Zellen und Gewebe mechanischen Veränderungen. Mittels Magnetresonanz-Elastographie (MRE) kann die Mechanik von Geweben in vivo untersucht werden. In der Klinik wird diese Technik jedoch bisher hauptsächlich als zusätzlicher Bildkontrast verwendet, wobei eine Verknüpfung mit der zugrunde liegenden Physik des Krebses bisher weitgehend fehlt. In meiner Arbeit skizziere ich einen in vivo Tumor-Marker, der auf biophysikalische Parametern beruht. Dazu liefere ich eine breite experimentelle Basis, die von der mechanischen Charakterisierung von Kollagen als Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix bis zum Tracking lebender Zellen und ex vivo MRE in vitalen menschlichen Tumorexplantaten reicht. Eine anschließende Analyse der mechanischen Fingerabdrücke von Tumoren in vivo zeigt robuste Trends. Diese werden durch ein Gedankenexperiment zu den grundlegenden mechanischen Voraussetzungen für das Tumorwachstum weiter erläutert. Darauf aufbauend leite ich ein auf biophysikalischen Parametern basierendes Tumor-Klassifikationsschema ab. Abschließend fasse ich zusammen, wie tumorassoziierte Mechanismen die Mechanik von Gewebe beeinflussen, wobei ich auch emergente Effekte berücksichtige.:Contents iv List of Figures viii 1 Introduction 1 2 Background 5 2.1 Tissue architecture 5 2.1.1 The extracellular matrix 5 2.1.2 ECM in tumors 6 2.1.3 Focus: collagen 7 2.1.4 The neural ECM in the brain 9 2.1.5 Breast tissue 10 2.1.6 Cervix and uterus tissue 11 2.2 Cancer 13 2.2.1 Development and spreading 13 2.2.2 Clinical grading and staging 15 2.3 Cell mechanics 17 2.3.1 Contractility17 2.3.2 Unjamming and tissue Fluidization in cancer 19 2.4 Applied Magnetic Resonance Imaging 20 2.4.1 The necessary basics 20 2.4.2 Diffusion weighted imaging 24 2.4.3 MR Elastogprahy 25 2.5 Viscoelasticity and rheological models 28 2.5.1 Deformation and material response 28 2.5.2 Basic viscoelastic model components 30 2.5.3 Fractional element model 32 2.5.4 Kelvin-Voigt model 33 2.6 Stiffness and Fluidity 34 2.6.1 Stiffness and Fluidity in clinical in vivo MRE 35 3 Materials and Methods 36 3.1 Collagen Gels 36 3.1.1 Collagen preparation 36 3.1.2 Collagen crosslinking 37 3.2 Cell and tissue culture 37 3.2.1 Cell lines 37 3.2.2 Multicellular Spheroids 39 3.2.3 Primary tissues 40 3.2.4 Contractility and invasion assay 41 3.3 Optical imaging and analysis 43 3.3.1 Confocal microscopy for collagen pore size analysis 43 3.3.2 Optical clearing and imaging of fixated primary tissues 44 3.3.3 Live imaging scenarios for cell tracking and collagen displacement analysis 44 3.4 Oscillatory shear rheology 46 3.5 MR techniques 47 3.5.1 0.5 T Tabletop MRE device 48 3.5.2 NMR based diffusion measurements 49 3.5.3 MR Elastography with the tabletop device 52 3.5.4 Clinical in vivo MRE 55 3.6 Optical cell stretcher after in vivo MRE 58 3.6.1 Study design and sample handling 58 3.6.2 In vivo MRE on human brain tumors 59 3.6.3 OCS on cells from dissociated human brain tumors 61 3.6.4 Correlation analysis between OCS and in vivo MRE 61 3.7 Atomic force microscopy (AFM) 62 4 Results and Discussion 63 4.1 Elastic vs. viscoelastic behavior 63 4.2 The scalability of rheological methods 65 4.2.1 Quantitative comparison 65 4.2.2 Qualitative coherence in aortic tissues across all scales 66 4.2.3 Section-Discussion: Multiscale tissue analysis 71 4.3 Collagen as a tuneable ECM surrogate 73 4.3.1 Shear rheology on collagen gels 73 4.3.2 Crosslinking solidies collagen gels 74 4.3.3 Simplifying data interpretation with stiffness and Fluidity 79 4.3.4 Inuence of matrix architecture on stiffness and Fluidity 81 4.3.5 Section-Discussion: tabletop MRE and DWI on collagen gels 84 4.4 Single cell vs. bulk tissue mechanics 86 4.4.1 Surface and bulk mechanics of spheroids in context of their single cell properties 86 4.4.2 Soft cancer cells in rigid tumors (ex vivo) 88 4.4.3 Correlation of in vivo bulk tissue mechanics with single cell properties in human brain tumors 89 4.4.4 Section-Discussion: Single cell vs. bulk tissue mechanics 94 4.5 Cells in interaction with the ECM 97 4.5.1 Single cells on collagen 97 4.5.2 Cell aggregates and spheroids on collagen 102 4.5.3 Primary tumor tissue on collagen 106 4.5.4 Partial tissue fluidization in cancer cell clusters in primary human tumor explants 111 4.5.5 Section-Discussion: Cell-ECM interactions 114 4.6 Tabletop MRE on tumor tissues 116 4.6.1 General remarks 116 4.6.2 Results 119 4.6.3 Correlations with patient data 125 4.6.4 Section-Discussion: Tabletop vs. clinical in vivo NMR 126 4.7 Stiffness and Fluidity as prognostic tumor markers 134 4.7.1 Rheological Fingerprints of tumors in vivo 134 4.7.2 Gedankenexperiment on tumor growth 139 4.7.3 Roadmap to a novel prognostic tumor marker 143 4.7.4 Section-Discussion: Stiffness and Fluidity in tumor progression 147 4.7.5 The limitations of in vivo MRE 155 5 Conclusions and Outlook 156 5.1 Conclusions 156 5.2 Outlook on a novel biophysical in vivo tumor marker 163 A Extended data 165 A.1 Extended tabletop results for aortic tissue 165 A.2 Supplementary Figures 168 A.3 Protocols 171 A.3.1 Data acquisition with the tabletop MRE 171 A.3.2 Data evaluation routines for the tabletop MRE 173 A.4 Additional information on breast tumor sample MCA200 175 A.5 Case-wise tumor classification scheme 176 B Video Attachments 178 B.1 Collagen synthesis 178 B.2 Single cells on collagen 178 B.3 Cell aggregates and spheroids on collagen 178 B.4 Primary tumor tissues on collagen 179 B.5 Live cell tracking in breast tumor MCA200 179 Bibliography 180 Acknowledgments 207 Zusammenfassung nach §11 209 / During cancer progression, cells and tissues undergo mechanical changes. Magnetic Resonance Elastography (MRE) can probe tissue mechanics in vivo, but currently, it is predominantly used as an additional contrast mode in clinical settings and the connection to the underlying physics of cancer is mostly lacking. In my thesis, I outline a roadmap towards an in vivo tumor marker that focuses on biophysical properties. I provide a diverse experimental background, which spans from the mechanical characterization of extracellular matrix surrogates to live cell tracking and ex vivo MRE in vital human tumor explants. A subsequent analysis of the mechanical Fingerprints of tumors in vivo reveals robust trends. These trends are elucidated further through a gedankenexperiment on the fundamental mechanical prerequisites for tumor growth. I propose a biophysics-based tumor classification scheme rooted in mechanical parameters. In conclusion, I consolidate how tumorassociated mechanisms impact bulk tissue mechanics, emphasizing emergent effects.:Contents iv List of Figures viii 1 Introduction 1 2 Background 5 2.1 Tissue architecture 5 2.1.1 The extracellular matrix 5 2.1.2 ECM in tumors 6 2.1.3 Focus: collagen 7 2.1.4 The neural ECM in the brain 9 2.1.5 Breast tissue 10 2.1.6 Cervix and uterus tissue 11 2.2 Cancer 13 2.2.1 Development and spreading 13 2.2.2 Clinical grading and staging 15 2.3 Cell mechanics 17 2.3.1 Contractility17 2.3.2 Unjamming and tissue Fluidization in cancer 19 2.4 Applied Magnetic Resonance Imaging 20 2.4.1 The necessary basics 20 2.4.2 Diffusion weighted imaging 24 2.4.3 MR Elastogprahy 25 2.5 Viscoelasticity and rheological models 28 2.5.1 Deformation and material response 28 2.5.2 Basic viscoelastic model components 30 2.5.3 Fractional element model 32 2.5.4 Kelvin-Voigt model 33 2.6 Stiffness and Fluidity 34 2.6.1 Stiffness and Fluidity in clinical in vivo MRE 35 3 Materials and Methods 36 3.1 Collagen Gels 36 3.1.1 Collagen preparation 36 3.1.2 Collagen crosslinking 37 3.2 Cell and tissue culture 37 3.2.1 Cell lines 37 3.2.2 Multicellular Spheroids 39 3.2.3 Primary tissues 40 3.2.4 Contractility and invasion assay 41 3.3 Optical imaging and analysis 43 3.3.1 Confocal microscopy for collagen pore size analysis 43 3.3.2 Optical clearing and imaging of fixated primary tissues 44 3.3.3 Live imaging scenarios for cell tracking and collagen displacement analysis 44 3.4 Oscillatory shear rheology 46 3.5 MR techniques 47 3.5.1 0.5 T Tabletop MRE device 48 3.5.2 NMR based diffusion measurements 49 3.5.3 MR Elastography with the tabletop device 52 3.5.4 Clinical in vivo MRE 55 3.6 Optical cell stretcher after in vivo MRE 58 3.6.1 Study design and sample handling 58 3.6.2 In vivo MRE on human brain tumors 59 3.6.3 OCS on cells from dissociated human brain tumors 61 3.6.4 Correlation analysis between OCS and in vivo MRE 61 3.7 Atomic force microscopy (AFM) 62 4 Results and Discussion 63 4.1 Elastic vs. viscoelastic behavior 63 4.2 The scalability of rheological methods 65 4.2.1 Quantitative comparison 65 4.2.2 Qualitative coherence in aortic tissues across all scales 66 4.2.3 Section-Discussion: Multiscale tissue analysis 71 4.3 Collagen as a tuneable ECM surrogate 73 4.3.1 Shear rheology on collagen gels 73 4.3.2 Crosslinking solidies collagen gels 74 4.3.3 Simplifying data interpretation with stiffness and Fluidity 79 4.3.4 Inuence of matrix architecture on stiffness and Fluidity 81 4.3.5 Section-Discussion: tabletop MRE and DWI on collagen gels 84 4.4 Single cell vs. bulk tissue mechanics 86 4.4.1 Surface and bulk mechanics of spheroids in context of their single cell properties 86 4.4.2 Soft cancer cells in rigid tumors (ex vivo) 88 4.4.3 Correlation of in vivo bulk tissue mechanics with single cell properties in human brain tumors 89 4.4.4 Section-Discussion: Single cell vs. bulk tissue mechanics 94 4.5 Cells in interaction with the ECM 97 4.5.1 Single cells on collagen 97 4.5.2 Cell aggregates and spheroids on collagen 102 4.5.3 Primary tumor tissue on collagen 106 4.5.4 Partial tissue fluidization in cancer cell clusters in primary human tumor explants 111 4.5.5 Section-Discussion: Cell-ECM interactions 114 4.6 Tabletop MRE on tumor tissues 116 4.6.1 General remarks 116 4.6.2 Results 119 4.6.3 Correlations with patient data 125 4.6.4 Section-Discussion: Tabletop vs. clinical in vivo NMR 126 4.7 Stiffness and Fluidity as prognostic tumor markers 134 4.7.1 Rheological Fingerprints of tumors in vivo 134 4.7.2 Gedankenexperiment on tumor growth 139 4.7.3 Roadmap to a novel prognostic tumor marker 143 4.7.4 Section-Discussion: Stiffness and Fluidity in tumor progression 147 4.7.5 The limitations of in vivo MRE 155 5 Conclusions and Outlook 156 5.1 Conclusions 156 5.2 Outlook on a novel biophysical in vivo tumor marker 163 A Extended data 165 A.1 Extended tabletop results for aortic tissue 165 A.2 Supplementary Figures 168 A.3 Protocols 171 A.3.1 Data acquisition with the tabletop MRE 171 A.3.2 Data evaluation routines for the tabletop MRE 173 A.4 Additional information on breast tumor sample MCA200 175 A.5 Case-wise tumor classification scheme 176 B Video Attachments 178 B.1 Collagen synthesis 178 B.2 Single cells on collagen 178 B.3 Cell aggregates and spheroids on collagen 178 B.4 Primary tumor tissues on collagen 179 B.5 Live cell tracking in breast tumor MCA200 179 Bibliography 180 Acknowledgments 207 Zusammenfassung nach §11 209

Magnetresonanzelastographie (MRE) bietet die Möglichkeit, über die Aufnahme mechanischer Scherwellen im Körper auf die mechanischen Eigenschaften lebender Gewebe zu schließen. Dabei werden in der klassischen MRE Wellen mittels Einkopplung externer Vibrationen einer einzelnen Frequenz angeregt. Wegen der starken Absorption der Vibrationsenergie in biologischen Geweben und der damit verbundenen Dispersion der Phasengeschwindigkeit sowie der Dämpfung der Wellen können mit dieser Methode nur frequenzabhängige Größen, jedoch keine Materialkonstanten bestimmt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt die synchrone Einkopplung und Aufnahme multipler Gewebeschwingungen, wodurch viskoelastische Gewebekenngrößen in einer zeitlich-zyklisierten MRE-Untersuchung erfasst werden können. Diese Technik wird in Phantomstudien, an Gewebeproben sowie am Menschen evaluiert. Mittels verschiedener rheologischer Modelle werden erstmalig die viskoelastischen Eigenschaften der Leber und des Gehirns in ihrem intakten, lebenden Umfeld bestimmt. Dabei zeigt sich die Überlegenheit eines zweiparametrischen Modells, mit dessen Hilfe die gewonnene, spektrale Information des komplexen Moduls des Gewebes in eine einzige diagnostisch-relevante Kenngröße zusammengefasst werden kann. / Magnetic resonance elastography (MRE) is capable of measuring the mechanical properties of living tissue by using externally introduced vibrations and phase contrast magnetic resonance imaging techniques. Until now, monofrequency shear wave excitation techniques have been used in conventional MRE. However, since biological tissue is highly dispersive due to its strong damping characteristics, the study of tissue rheology requires knowledge of wave propagation at multiple frequencies. The multifrequency-MRE method, which was engineered in this thesis, applies a superposition of multiple harmonics as the shear wave excitation signal. All vibrations are acquired simultaneously, which enables the determination of viscoelastic tissue parameters in one time-resolved MRE experiment. This technique is evaluated in studies on gel phantoms and excised tissue samples, as well as in human in-vivo studies. The viscoelastic properties of human brain and liver are determined in their in-vivo environment using several rheological models. A two-parameter fractional model demonstrates excellent stability and allows for combining the spectral information of the complex modulus acquired by multifrequency-MRE, which then results in a single viscoelastic parameter that is diagnostically relevant.

L'objectif de ce travail est de développer les applications du palpeur acoustique, dédié à la mesure d'élasticité des tissus biologiques. La validation de cet outil dans des matériaux d'études étant établie, deux applications in vivo de cet outil sont présentées. Tout d'abord sur les muscles, où la relation linéaire entre l'activité électrique du biceps et son module élastique est démontré. Puis sur la peau, où la grande différence d'élasticité entre le derme et l'hypoderme est observée. Ensuite, cette méthode, connue sous le nom « d'élastographie impulsionnelle », est adaptée selon une approche théorique et expérimentale, à l'estimation de nouveaux paramètres tels, l'anisotropie ou la non linéarité. Ainsi nous montrons que le coefficient d'anisotropie peut atteindre un facteur 16 sur les muscles in vivo et que la grande différence d'ordre de grandeur observée entre les coefficients élastiques du second ordre (m<

La compression élastique de la jambe est le traitement de référence des pathologies liées à l’insuffisance veineuse. Bien que l’efficacité ne soit plus à prouver, les objectifs thérapeutiques restent non atteints pour certains patients. Un objectif de la compression élastique est la réduction de la pression pariétale des veines afin de rétablir ou d’augmenter le retour du sang vers le cœur par une transmission de pression au travers des tissus mous. Ce mécanisme est complexe et peut être prédit par des modèles éléments finis personnalisés. Pour être personnalisés, ces modèles doivent prendre en compte la géométrie et la carte des propriétés mécaniques du sujet.Dans cette étude, on développe deux méthodologies permettant d’identifier les propriétés mécaniques des tissus mous. Dans un premier temps, on mesure par élastographie ultrasonore par onde de cisaillement la distribution du module élastique au sein des tissus mous superficiels. Dans un deuxième temps, on identifie par une méthode inverse les propriétés mécaniques des tissus mous profonds. Cette méthode associe l’acquisition de données d’un essai expérimental de compression localisée de la jambe à un modèle éléments finis bidimensionnel. Ces deux méthodologies nous permettent d’évaluer l’hétérogénéité des propriétés mécaniques de la peau au fascia cruris et de caractériser le comportement non-linéaire des tissus mous profonds. Enfin, les résultats de ces deux méthodologies sont couplés afin de générer un modèle biomécanique de la jambe sous compression élastique pour prédire la distribution de pression au sein des tissus mous pour quatre sujets sains. / Elastic compression of the leg is a widely used treatment in case of pathologies related to venous insufficiency. Its benefits are not to be proven, but still, for some patients, the therapeutic goal is not reached. One goal of this treatment is to reduce transmural pressure applied to veins in order to restore or increase blood return to the heart by the transmission of the external pressure through soft tissues. This is a complex mechanism that can be predicted by patient-specific finite element models. To be patient-specific, these models must take into account the geometry and the distribution of mechanical properties of each subject.In this study, two methodologies are developed to identify the mechanical properties of soft tissues. First, the elastic modulus distribution inside the superficial soft tissues is measured by shear wave ultrasound elastography. Second, the mechanical properties of deep soft tissues are identified through an inverse method combining the data acquired from an experimental localized compression of the leg to a bi-dimensional finite element model.These two methodologies allow to evaluate the mechanical properties heterogeneity from the skin to the fascia cruris and to characterize the non-linear behaviour of deep soft tissues. Finally, the results from both methodologies are brought together to generate a biomechanical model of the leg under elastic compression to predict pressure distribution inside soft tissues for four healthy subjects.

L’OCT plein champ est une technique d’imagerie permettant de faire de la microscopie des milieux diffusants à une profondeur donné à l’aide d’un système interférométrique. L’un des principaux objectifs qui ont motivé le développement de l’OCT plein champ ces dernières années a été de pouvoir fournir au chirurgien, durant les opérations des images similaires aux coupes histologiques mais en temps réel. Actuellement, les diagnostiques effectué à partir des images d’OCT plein champs donne de bon résultats, notamment dans le cas de certaine pathologie mammaire. Cependant, la différence majeure entre les coupes histologiques et les images d’OCT plein champs est qu’en OCT plein champ le contraste est uniquement un contraste morphologique et que dans certain cas, ce contraste seul ne suffit pas pour faire le diagnostic. Au cours des travaux de recherche décrits dans cette thèse nous nous sommes attachés à développer de nouvelles approches tomographiques, conduisant à de nouvelles formes de contraste susceptible d’enrichir les images d’OCT plein champ pour une meilleure qualité du diagnostic. Plus précisément, nous avons travaillé sur la détection optique et photo-thermique de nanoparticules d’or par OCT plein champ et la cartographie des propriétés mécaniques par trois méthodes dans le but de développer de nouveaux types de contrastes qui pourront permettre d’améliorer le diagnostic. / Full Field OCT (FF-OCT) is an imaging technic use to do microscopy inside scattering media at a given depth using an interferometric setup. One of the main objectives that motivated the development of FF-OCT was to provide during surgery to the surgeon images similar to histological slices but in real time. Currently, diagnostic made from FF-OCT images gives good results, especially in the case of some breast disease. However, the major difference between the histological and FF-OCT is that FF-OCT has only a morphological contrast and in some cases, this contrast is not enough to make the diagnosis. In the research described in this thesis we are committed to developing new tomographic approaches, leading to new forms of contrast may enhance images of FF- OCT for a better quality of diagnosis. Specifically, we worked on the optical and photothermal detection of gold nanoparticles by FF-OCT and the mechanical properties mapping by three methods in order to develop new types of contrasts that will help improve the diagnosis.

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.

To compare ultrasound-based acoustic structure quantification (ASQ) with established non-invasive techniques for grading and staging fatty liver disease.

Contexte: Les limites du traitement chirurgical des tumeurs du foie sont définies par la réserve hépatique fonctionnelle qui est déterminée par le volume et la qualité du foie non tumoral restant. L’hépatopathie sous-jacente détermine non seulement la place de la chirurgie mais aussi le risque de récidive pour les tumeurs hépatiques primitives. Dans les cas des métastases hépatiques, la chimiothérapie précède très souvent la chirurgie et l’hépatotoxicité de cette chimiothérapie est un risque important des complications post opératoires. Dans le contexte particulier de la transplantation hépatique (TH) pour le carcinome hépatocellulaire (CHC), l’hypertension portale est un risque de progression tumorale pendant la période d’attente et la sortie de la liste. Le foie non tumoral est donc est un facteur important dans la prise en charge des patients avec des tumeurs du foie. FibroScan® qui mesure l'élasticité du foie pourrait être utilisé pour évaluer le foie et prédire les suites post opératoires et la risque de progression de CHC dans la liste de TH. Méthodes: Les patients consécutifs qui ont été programmés pour subir une hépatectomie ou une transplantation ont été inclus dans l'étude après un consentement éclairé. L'élastométrie (LS) et le paramètre d'atténuation contrôlée (CAP) du foie non tumorale ont été estimés en pré opératoire par l’élastographie transitoire avec le dispositif FibroScan® 502 Touch en utilisant des sondes M ou XL. Résultats: Les nomogrammes basés sur LS qui ont été développés et validés dans cette étude ont pu hépatectomie pour les maladies hépatobiliaires. Chez les patients atteints de CHC, LS a joué un rôle plus important car il prédit non seulement les résultats de 90 jours, mais aussi la décompensation hépatique persistante au-delà de la période post-opératoire. En plus, LS ≥30 kPa et CAP <240 dB/m ont été associés à un mauvais pronostic oncologique après l’hépatectomie et peuvent ainsi être un marqueur de substitution pour la nature agressive du CHC. La performance de LS pour diagnostiquer la fibrose hépatique avancée (AUROC: 0.95) et la cirrhose (AUROC: 0.97) a été validée dans cette recherche et CAP a eu une performance satisfaisante pour détecter la stéatose hépatique significatif (AUROC: 0.70). Un modèle à base de LS appelé score HVPG10 a été développé et validé pour diagnostiquer une hypertension portale significative chez les patients atteints d'une maladie chronique du foie. Avec un seuil de 15, le score HVPG10 était précis pour exclure une hypertension portale importante dans >95% des patients et éviter des investigations supplémentaires et inutiles. Conclusion: L'exploration des patients prévus pour l'hépatectomie permet d'prévoir des complications sévères et la mortalité après l’hépatectomie. LS ≥30 kPa élevé est un facteur de risque important la récidive après la résection et de progression de CHC en attente de TH. Par conséquent, TH devrait être le traitement en première intention avec les patients avec LS ≥30 kPa. / Background: The major determinant of the results of surgical resection for liver tumors is the volume and quality of the future liver remnant. The hepatopathy of the non-tumoral liver not only limits the type of surgery but also the risk of recurrence in primary liver tumors. With respect to liver metastasis, pre-operative chemotherapy is the usual treatment strategy and the hepatotoxicity of prolonged chemotherapy is an important risk factor for post-operative morbi-mortality. In patients with hepatocellular carcinoma (HCC) waiting for liver transplantation (LT), clinically significant portal hypertension (CSPH) is a risk for tumor progression and dropout of the waiting list for LT. Overall, degree of liver fibrosis and portal hypertension in the non-tumoral liver are important factors in the management of patients with liver tumors as they determine the prognosis of patients after hepatectomy. FibroScan®, which estimate the degree of liver fibrosis and steatosis, could utilized to evaluate the non-tumoral liver and predict the post-operative outcomes and the risk of dropout from the list of LT in HCC patients waiting for LT. Methods: Consecutive patients programmed to undergo hepatectomy or LT were included in the present study prospectively after an informed consent. Liver stiffness (LS) and controlled attenuation parameter (CAP) were measured pre-operatively by transient elastography using FibroScan® 502 Touch Standard device with M or XL probes. Results: LS-based nomograms that were developed and valided in this study were accurate to predict 90-day severe morbidity and 90-day mortality after hepatectomy for various hepatobiliary diseases. In patients with HCC undergoing hepatectomy, elevated LS ≥22 kPa was a risk factor for persistent hepatic decompensation beyond the 90-day post-operative period. Moreover, LS ≥30 kPa and CAP <240 dB/m were associated with poor oncological outcomes after resection and thus could be a surrogate biomarker of more aggressive HCC. The discriminatory ability of LS to diagnose advanced liver fibrosis (AUROC: 0.95) and cirrhosis (AUROC: 0.97) was validated in the present study. Further, CAP had a satisfactory performance to screen significant hepatic steatosis (S≥2) with AUROC of 0.70. A new LS-based model called HVPG10 score was developed and validated to diagnose CSPH. With a cut-off of 15, it was capable of accurately ruling out CSPH in >95% of the patients with chronic liver disease and would avoid further unnecessary investigations. Conclusion: Pre-operative evaluation of patients with transient elastography would enable surgeons to predict major complications and mortality after hepatectomy with LS-based nomograms. In patients with HCC, LS ≥30 kPa was an important risk factor of incomplete surgical resection, early recurrence after hepatectomy and for tumor progression and dropout while waiting for LT. Therefore, LT must be the primary treatment in HCC patients with LS ≥30 kPa.

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.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouvelles modalités d’imagerie cardiovasculaire basé sur l’utilisation de l'imagerie ultrarapide 2D et 3D. Les modalités d’imagerie développées dans cette thèse appartiennent au domaine de de l’élastographie par onde de cisaillement et de l'imagerie Doppler des flux sanguins.Dans un premier temps, la technique de l’élastographie par onde de cisaillement du myocarde a été développée pour les applications cliniques. Une approche d'imagerie non-linéaire a été utilisée pour améliorer l’estimation de vitesse des ondes de cisaillement (ou la rigidité des tissus cardiaques) de manière non invasive et localisée. La validation de cette nouvelle approche de « l’imagerie par sommation cohérente harmonique ultrarapide » a été réalisée in vitro et la faisabilité in vivo a été testée chez l’humain. Dans un second temps, nous avons utilisé cette technique sur des patients lors de deux essais cliniques, chacun ciblant une population différente (adultes et enfants). Nous avons étudié la possibilité d’évaluer quantitativement la rigidité des tissus cardiaques par élastographie chez des volontaires sains, ainsi que chez des malades souffrant de cardiomyopathie hypertrophique. Les résultats ont montré que l’élastographie pourrait devenir un outil d'imagerie pertinent et robuste pour évaluer la rigidité du muscle cardiaque en pratique clinique. Par ailleurs, nous avons également développé une nouvelle approche appelée « imagerie de tenseur élastique 3-D » pour mesurer quantitativement les propriétés élastiques des tissus anisotropes comme le myocarde. Ces techniques ont été testées in vitro sur des modèles de de gels isotropes transverses. La faisabilité in vivo de l’élastographie par onde cisaillement à trois-dimensions a été également évaluée sur un muscle squelettique humain.D'autre part, nous avons développé une toute nouvelle modalité d’imagerie ultrasonore des flux coronariens basée sur l’imagerie Doppler ultrarapide. Cette technique nous a permis d'imager la circulation coronarienne avec une sensibilité élevée, grâce notamment au développement d’un nouveau filtre adaptatif permettant de supprimer le signal du myocarde en mouvement, basé sur la décomposition en valeurs singulières (SVD). Des expériences à thorax ouvert chez le porc ont permis d'évaluer et de valider notre technique et les résultats ont montré que la circulation coronaire intramurale, peut être évaluée sur des vaisseaux de diamètres allant jusqu’à 100 µm. La faisabilité sur l’homme a été démontrée chez l’enfant en imagerie clinique transthoracique.Enfin, nous avons développé une nouvelle approche d’imagerie des flux sanguins, « l’imagerie ultrarapide 3-D des flux», une nouvelle technique d'imagerie quantitative des flux. Nous avons démontré que cette technique permet d’évaluer le débit volumétrique artériel directement en un seul battement cardiaque, indépendamment de l'utilisateur. Cette technique a été mise en place à l'aide d'une sonde matricielle 2-D et d’un prototype d’échographe ultrarapide 3-D développé au sein du laboratoire. Nous avons évalué et validé notre technique in vitro sur des fantômes artériels, et la faisabilité in vivo a été démontrée sur des artères carotides humaines. / This thesis was focused on the development of novel cardiovascular imaging applications based on 2-D and 3-D ultrafast ultrasound imaging. More specifically, new technical and clinical developments of myocardial shear wave elastography and ultrafast blood flow imaging are presented in this manuscript.At first, myocardial shear wave elastography was developed for transthoracic imaging and improved by a non-linear imaging approach to non-invasively and locally assess shear wave velocity measurements, and consequently tissue stiffness in the context of cardiac imaging. This novel imaging approach (Ultrafast Harmonic Coherent Compounding) was tested and validated in-vitro and the in vivo feasibility was performed in humans for biomechanical evaluation of the cardiac muscle wall, the myocardium. Then, we have translated shear wave elastography to the clinical practice within two clinical trials, each one with a different population (adults and children). In both clinical trials, we have studied the capability of shear wave elastography to assess quantitatively myocardial stiffness in healthy volunteers and in patients suffering from hypertrophic cardiomyopathy. The results in the adult population indicated that shear wave elastography may become an effective imaging tool to assess cardiac muscle stiffness in clinical practice and help the characterization of hypertrophic cardiomyopathy. Likewise, we have also translated Shear Wave Elastography into four-dimensions and we have developed a new approach to map tissue elastic anisotropy in 3-D. 3-D Elastic Tensor Imaging allowed us to estimate quantitatively in a single acquisition the elastic properties of fibrous tissues. This technique was tested and validated in vitro in transverse isotropic models. The in-vivo feasibility of 3D elastic tensor imaging was also assessed in a human skeletal muscle.In parallel, we have developed a novel imaging technique for the non-invasive and non-radiative imaging of coronary circulation using ultrafast Doppler. This approach allowed us to image blood flow of the coronary circulation with high sensitivity. A new adaptive filter based on the singular value decomposition was used to remove the clutter signal of moving tissues. Open-chest swine experiments allowed to evaluate and validate this technique and results have shown that intramural coronary circulation, with diameters up to 100 µm, could be assessed. The in-vivo transthoracic feasibility was also demonstrated in humans in pediatric cardiology.Finally, we have developed a novel imaging modality to map quantitatively the blood flow in 3-D: 3-D ultrafast ultrasound flow imaging. We demonstrated that 3-D ultrafast ultrasound flow imaging can assess non-invasively, user-independently and directly volumetric flow rates in large arteries within a single heartbeat. We have evaluated and validated our technique in vitro in arterial phantoms using a 2-D matrix-array probe and a customized, programmable research 3-D ultrafast ultrasound system, and the in-vivo feasibility was demonstrated in human carotid arteries.