京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13133号 / 論医博第2137号 / 新制||医||1024(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 溝脇 尚志, 教授 妹尾 浩, 教授 鈴木 実 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

No description available.

The deep learning-based automatic segmentation methods have developed rapidly in recent years to give a promising performance in the medical image segmentation tasks, which provide clinical medicine with an accurate and fast computer-aided diagnosis method. Generative adversarial networks and their extended frameworks have achieved encouraging results on image-to-image translation problems. In this report, the proposed hybrid network combined cycle-consistent adversarial networks, which transformed contrast-enhanced images from computed tomography angiography to the conventional low-contrast CT scans, with the segmentation network and trained them simultaneously in an end-to-end manner. The trained segmentation network was tested on the non-contrast-enhanced CT images. The synthetic process and the segmentation process were also implemented in a two-stage manner. The two-stage process achieved a higher Dice similarity coefficient than the baseline U-Net did on test data, but the proposed hybrid network did not outperform the baseline due to the field of view difference between the two training data sets.

La segmentation d’images médicales est depuis longtemps un sujet de recherche actif. Cette thèse traite des méthodes de segmentation basées modèles, qui sont un bon compromis entre généricité et capacité d’utilisation d’informations a priori sur l’organe cible. Notre but est de construire un algorithme de segmentation pouvant tirer profit d’une grande variété d’informations extérieures telles que des bases de données annotées (via l’apprentissage statistique), d’autres images du même patient (via la co-segmentation) et des interactions de l’utilisateur. Ce travail est basé sur la déformation de modèle implicite, une méthode variationnelle reposant sur une représentation implicite des formes. Après avoir amélioré sa formulation mathématique, nous montrons son potentiel sur des problèmes cliniques difficiles. Nous introduisons ensuite différentes généralisations, indépendantes mais complémentaires, visant à enrichir le modèle de forme et d’apparence utilisé. La diversité des applications cliniques traitées prouve la généricité et l’efficacité de nos contributions. / Within the wide field of medical imaging research, image segmentation is one of the earliest but still open topics. This thesis focuses on model-based segmentation methods, which achieve a good trade-off between genericity and ability to carry prior information on the target organ. Our goal is to build an efficient segmentation framework that is able to leverage all kinds of external information, i.e. annotated databases via statistical learning, other images from the patient via co-segmentation and user input via live interactions. This work is based on the implicit template deformation framework, a variational method relying on an implicit representation of shapes. After improving the mathematical formulation of this approach, we show its potential on challenging clinical problems. Then, we introduce different generalizations, all independent but complementary, aimed at enriching both the shape and appearance model exploited. The diversity of the clinical applications addressed shows the genericity and the effectiveness of our contributions.

Perfusion magnetic resonance imaging is modern diagnostic method used mainly in oncology. In this method, contrast agent is injected to the subject and then is continuously monitored the progress of its concentration in the affected area in time. Correct determination of the arterial input function (AIF) is very important for perfusion analysis. One possibility is to model AIF by multichannel blind deconvolution but the estimated AIF is necessary to be scaled. This master´s thesis is focused on description of scaling methods and their influence on perfussion parameters in dependence on used model of AIF in different tissues.

Après un traumatisme de la moelle épinière (TM), l’ischémieest un facteur d’aggravation des lésions. Cette ischémie peut être aggravée par l’augmentation depression du liquide cérébro-spinal (LCS) par le biais d’un effet tamponnade. Or chez l’homme,après un TM avec préservation de l’intégrité de la dure-mère, la pression de LCS augmentesignificativement. On suppose donc que le maintien d’une pression de LCS à des valeursphysiologique pourrait être une méthode de limitation de l’ischémie post-traumatique et doncd’amélioration du pronostic fonctionnel. Afin de pouvoir réaliser une étude expérimentale de cesphénomènes, nous avons consacré la première partie expérimentale de cette thèse à la mise au pointd’un modèle de TM à dure-mère intacte chez le rat permettant la mesure simultanée de la pressionde LCS et de la perfusion médullaire. Nous avons confirmé expérimentalement que la pression deLCS augmente après TM. Dans la seconde partie expérimentale, nous avons mis au point unetechnique expérimentale de quantification spatiale et temporelle de la perfusion médullaire grâce àl’échographie de contraste. Cette technique permettait aussi un suivi en temps réel de l’évolution dusaignement intra-parenchymateux induit par le TM. Dans la troisième partie expérimentale, nousavons utilisé notre modèle couplé avec l’échographie de contraste et le laser Doppler pour évaluerles effets de la noradrénaline injectée à la phase aigüe d’un TM sur la perfusion médullaire et lesaignement intra-parenchymateux. Nous avons montré que la noradrénaline augmentait trèslégèrement le flux sanguin superficiel mais pas le flux sanguin profond et qu’elle augmentait lataille du saignement. / After spinal cord injury (SCI), ischaemia aggravates lesions.Increase in cerebrospinal fluid (CSF) pressure can worsens ischaemia through a tamponnade effect.In humans, it has been shown that after SCI with intact dura mater, CSF pressure significantlyincreases. Therefore, preserving CSF pressure within a physiological range may limit post-traumaischaemia and improve neurological outcome. In order to experimentally study these phenomenon,we have dedicated the first part of that work to create a model of SCI in rats preserving dura’sintegrity and allowing simultaneous measurement of spinal cord blood flow (SCBF) and CSFpressure. We have confirmed that CSF pressure increases after SCI with intact dura. In the secondexperimental part, we have developed a technique allowing to perform spatial and temporalmeasurement of SCBF thanks to contrast enhanced ultrasonography (CEU). Moreover, thistechnique allows real-time measurement of the size of the parenchymal hemorrhage. In the thirdexperimental part, we have used our experimental model in association with CEU and LaserDoppler to assess the effects of early injection of norepinephrine on SCBF and parenchymalhemorrhage. We found that norepinephrine induces a slight increase in superficial SCBF while itdoesn’t modify deep SCBF and significantly increases the size of parenchymal hemorrhage.

L’insuffisance placentaire par défaut de vascularisation est une pathologie fréquente de la grossesse, de diagnostic difficile, avec des complications potentiellement graves (retard de croissance intra utérin, prééclampsie). L’objectif de ce travail de Thèse a été de développer l’IRM fonctionnelle multiparamétrique pour l’exploration du placenta à 4.7 T chez la rate gestante. Matériel et méthode : L’IRM de diffusion (SE- EPI DWI) avec analyse IVIM et l’IRM dynamique avec injection de gadolinium (DCE) et haute résolution temporelle (< 1s) ont été développées puis étudiées sur un modèle murin contrôlé d’hypoperfusion placentaire par ligature du pédicule vasculaire utérin gauche au 17ème jour de gestation. Les paramètres obtenus sur les placentas hypoperfusés de la corne gauche ligaturée étaient comparés à ceux des placentas normaux de la corne droite. L’effet de l’hyperoxygénation maternelle était étudié en diffusion. Résultats : Ont été étudiés 73 placentas, dont 23 pathologiques (n= 10 rates) en diffusion et 53 placentas, dont 11 pathologiques (n=12 rates) en DCE. Les paramètres significativement diminués du côté hypoperfusé étaient le coefficient apparent de diffusion (ADC), la fraction de perfusion (f) en diffusion et le flux sanguin maternel (F) en DCE. Sous hyperoxygénation maternelle, l’ADC et le coefficient de diffusion (D) augmentaient et f diminuait. Les paramètres obtenus en diffusion et en DCE n’étaient pas nettement corrélés entre eux. Conclusion : Un outil d’IRM fonctionnelle placentaire multiparamétrique a été développé à 4.7 T chez la rate gestante. La DWI comme la DCE apparaissent complémentaires pour le diagnostic d’hypoperfusion placentaire. / Placental insufficiency caused by deficient vascularization is common during pregnancy, difficult to diagnose and can lead to severe materno-fetal complications (intrauterine growth restriction, preeclampsia). The aim of this work was to develop multi-parametric functional magnetic resonance imaging (MRI) to assess the placenta at 4.7 T on a murine model. Materials and methods : Diffusion-weighted imaging (SE-EPI-DWI) with the intravoxel incoherent motion (IVIM) analysis and dynamic contrast enhanced MRI (DCE) with a high-time resolution (<1 s) were developed and evaluated on a controlled rat model of reduced placental perfusion, achieved by ligation of the left uterine vascular pedicle on the 17th embryonic day. Parameters from the placentas in the left ligated horn were compared to those from the normal placentas in the non ligated horn. The effect of maternal hyperoxygenation on placental microvascularization was studied with DWI.Results: For DWI, 73 placentas were examined, 23 from the ligated side (n=10 rats). For DCE, 53 placentas were analysed, 11 from the ligated side (n=12 rats). In the uterine horn with reduced perfusion, the apparent diffusion coefficient (ADC), the perfusion fraction (f) obtained with DWI and the placental blood flow (F) obtained with DCE were significantly decreased. Under maternal hyperoxygenation, ADC and the diffusion coefficient (D) increased whereas f decreased. DWI and DCE parameters were not significantly correlated with each other. Conclusion: Multi-parametric MRI has been developed for murine placental analysis at 4.7T. DWI and DCE are complementary tools for the diagnosis of reduced placental perfusion.

L’échographie dynamique de contraste (DCE-US) est actuellement proposée comme technique d’imagerie fonctionnelle permettant d’évaluer les nouvelles thérapies anti-angiogéniques. Dans ce contexte, L'UPRES EA 4040, Université Paris-Sud 11, et le service d'Echographie de l'Institut Gustave Roussy ont développé une méthodologie permettant de calculer automatiquement, à partir de la courbe de prise de contraste moyenne obtenue dans la tumeur après injection en bolus d’un agent de contraste, un ensemble de paramètres semi-quantitatifs. Actuellement, l’état hémodynamique du patient ou encore les conditions d’injection du produit de contraste ne sont pas pris en compte dans le calcul de ces paramètres à l’inverse d’autres modalités (imagerie par résonance magnétique dynamique de contraste ou scanner de perfusion). L’objectif de cette thèse était donc d’étendre la méthode de déconvolution utilisée en routine dans les autres modalités d’imagerie à l’échographie de contraste. Celle-ci permet de s’affranchir des conditions citées précédemment en déconvoluant la courbe de prise de contraste issue de la tumeur par la fonction d’entrée artérielle, donnant ainsi accès aux paramètres quantitatifs flux sanguin, volume sanguin et temps de transit moyen. Mon travail de recherche s’est alors articulé autour de trois axes. Le premier visait à développer la méthode de quantification par déconvolution dédiée à l’échographie de contraste, avec l’élaboration d’un outil méthodologique suivie de l’évaluation de son apport sur la variabilité des paramètres de la microvascularisation. Des évaluations comparatives de variabilité intra-opérateur ont alors mis en évidence une diminution drastique des coefficients de variation des paramètres de la microvascularisation de 30% à 13% avec la méthode de déconvolution. Le deuxième axe était centré sur l’étude des sources de variabilité influençant les paramètres de la microvascularisation portant à la fois sur les conditions expérimentales et sur les conditions physiologiques de la tumeur. Enfin, le dernier axe a reposé sur une étude rétrospective menée sur 12 patients pour lesquels nous avons évalué l’intérêt de la déconvolution en comparant l’évolution des paramètres quantitatifs et semi-quantitatifs de la microvascularisation en fonction des réponses des tumeurs obtenues par les critères RECIST à partir d’un scan effectué à 2 mois. Cette méthodologie est prometteuse et peut permettre à terme une évaluation plus robuste et précoce des thérapies anti-angiogéniques que les méthodologies actuellement utilisées en routine dans le cadre des examens DCE-US. / Dynamic contrast-enhanced ultrasonography (DCE-US) is currently used as a functional imaging technique for evaluating anti-angiogenic therapies. A mathematical model has been developed by the UPRES EA 4040, Paris-Sud university and the Gustave Roussy Institute to evaluate semi-quantitative microvascularization parameters directly from time-intensity curves. But DCE-US evaluation of such parameters does not yet take into account physiological variations of the patient or even the way the contrast agent is injected as opposed to other functional modalities (dynamic magnetic resonance imaging or perfusion scintigraphy). The aim of my PhD was to develop a deconvolution process dedicated to the DCE-US imaging, which is currently used as a routine method in other imaging modalities. Such a process would allow access to quantitatively-defined microvascularization parameters since it would provide absolute evaluation of the tumor blood flow, the tumor blood volume and the mean transit time. This PhD has been led according to three main goals. First, we developed a deconvolution method involving the creation of a quantification tool and validation through studies of the microvascularization parameter variability. Evaluation and comparison of intra-operator variabilities demonstrated a decrease in the coefficients of variation from 30% to 13% when microvascularization parameters were extracted using the deconvolution process. Secondly, we evaluated sources of variation that influence microvascularization parameters concerning both the experimental conditions and the physiological conditions of the tumor. Finally, we performed a retrospective study involving 12 patients for whom we evaluated the benefit of the deconvolution process: we compared the evolution of the quantitative and semi-quantitative microvascularization parameters based on tumor responses evaluated by the RECIST criteria obtained through a scan performed after 2 months. Deconvolution is a promising process that may allow an earlier, more robust evaluation of anti-angiogenic treatments than the DCE-US method in current clinical use.

Trois aspects principaux de l'imagerie fonctionnelle corps entier dans les hémopathies lymphoïdes ont été étudiés dans ma thèse. Nous avons d'abord démontré en étudiant 92 patients avec un lymphome B à grandes cellules que 14 patients (15%) considérés positifs sur l'analyse visuelle du FDG-TEP après deux cycles de chimiothérapie, auraient pu être reclassés comme des bons répondeurs si le pourcentage de réduction du SUVmax avait été mesuré. Dans un sous groupe de 80 patients, une deuxième étude a permis de montrer qu'après 4 cycles, l'analyse visuelle et l'analyse semi-quantitative SUV étaient équivalentes. Nous avons ensuite développé un protocole d'IRM fonctionnelle corps entier, utilisant une injection dynamique de Gadolinium et 5 stations d'acquisition. Cela a permis de mesurer les courbes signal-temps du rehaussement de la moelle osseuse et des lésions focales. Notre étude a permis d'optimiser un protocole d'imagerie dynamique corps entier après injection de Gadolinium, et de montrer que nous avions pu explorer avec succès 21 patients présentant un myélome multiple sous traitement, nous avons montré que cette nouvelle méthode d'IRM fonctionnelle corps entier avec injection de Gadolinium pouvait être utilisée pour évaluer la réponse du traitement. De plus, cette technique a aidé à détecter les lésions résiduelles actives de myélome après traitement alors qu'aucun signe clinique ou une immunoglobine monoclonale minime n'était présent. Le troisième aspect a été d'optimiser un protocole d'IRM fonctionnelle corps entier utilisant l'imagerie de diffusion avec asservissement respiratoire. Le but est de pouvoir mesurer le coefficient de diffusion apprent des lésions disséminées. L'étude pilote a été réalisée chez 15 patients avec un lymphome B à grandes cellules avant traitement. Nous avons aussi pu montrer les changements d'ADC après 4 cycles de chimiothérapie en considérant l'imagerie FDG-TEP/scanner comme imagerie de référence / Three components regarding whole-body functional imaging in lymphoid malignancies have been studies in this thesis. We first demonstrated retrospectively in a series of 92 patients with diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) that 14 patients (15%) considered as positive on visual analysis on FDG-PET after only 2 cycles of chemotherapy could have been correctly re-classified as good responders by measuring the percentage reduction of maximum standardized uptake value (SUVmax); in a subgroup of 80 patients, SUV-based assessment was equivalent to visual analysis at 4 cycles for patient outcome prediction. We secondly developed a whole-body 5-station dynamic contrast- enhanced MR protocol and time-signal intensity curves for the bone marrow and the focal lesions were successfully obtaines in 21 patients with plasma cell disorders included in the feasibility study; later in a pilot prospective study with 30 patients with multiple myeloma who received systemic therapy, we showed that this novel whole-body functional MR technique can be used to assess treatment response and helps to delect residual active disease after completion of therapy when clinically no or only minimum monoclonal protein can be identified. We thirdly optimized a whole-body diffusion-weighted MR protocol with respiratory gating in order to determine apparent diffusion coefficient (ADC) value on a whole-body scale. Pilot study was performed in 15 patients with DLBCL for both staging and response assessment at 4 cycles of chemotherapy, with FDG PET/CT as the standard of reference

Applying mathematical models to dynamic contrast enhanced MRI (DCE MRI) data to perform quantitative tracer kinetic analysis enables the estimation of tissue characteristics such as vascular permeability and the fractional volume of plasma in a tissue. However, it is unclear to what extent modeling assumptions, particularly regarding water exchange between tissue compartments, impacts parameter estimates derived from clinical DCE MRI data. In this work, a new model is developed which includes water exchange effects, termed the water exchange modified two compartment exchange model (WX-2CXM). Two boundaries of this model (the fast and no exchange limits) were used to analyse a clinical DCE MRI bladder cancer dataset. Comparisons with DCE CT, which is not affected by water exchange, suggested that water exchange may have affected estimates of vp, the fractional volume of plasma. Further investigation and simulations led to the development of a DCE MRI protocol which was sensitised to water exchange, in order to further evaluate the water exchange effects found in the bladder cancer dataset. This protocol was tested by imaging the parotid glands in eight healthy volunteers, and confirmed evidence of water exchange effects on vp, as well as flow Fp and the fractional volume of extravascular extracellular space ve. This protocol also enabled preliminary estimates of the water residence times in parotid tissue, however, these estimates had a large variability and require further validation. The work presented in this thesis suggests that, although water exchange effects do not have a large effect on clinical data, the effect is measurable, and may lead to the ability to estimate of tissue water residence times. Results do not support a change in the current practise of neglecting water exchange effects in clinical DCEMRI acquisitions.