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Pour le diagnostic et la stratification de la fibrose hépatique, la rigidité du foie est un biomarqueur quantitatif estimé par des méthodes d'élastographie. L'élastographie par ondes de cisaillement (« shear wave », SW) utilise des ultrasons médicaux non invasifs pour évaluer les propriétés mécaniques du foie sur la base des propriétés de propagation des ondes de cisaillement. La vitesse des ondes de cisaillement (« shear wave speed », SWS) et l'atténuation des ondes de cisaillement (« shear wave attenuation », SWA) peuvent fournir une estimation de la viscoélasticité des tissus. Les tissus biologiques sont intrinsèquement viscoélastiques et un modèle mathématique complexe est généralement nécessaire pour calculer la viscoélasticité en imagerie SW. Le calcul précis de l'atténuation est essentiel, en particulier pour une estimation précise du module de perte et de la viscosité. Des études récentes ont tenté d'augmenter la précision de l'estimation du SWA, mais elles présentent encore certaines limites. Comme premier objectif de cette thèse, une méthode de décalage de fréquence revisitée a été développée pour améliorer les estimations fournies par la méthode originale de décalage en fréquence [Bernard et al 2017]. Dans la nouvelle méthode, l'hypothèse d'un paramètre de forme décrivant les caractéristiques spectrales des ondes de cisaillement, et assumé initialement constant pour tous les emplacements latéraux, a été abandonnée permettant un meilleur ajustement de la fonction gamma du spectre d'amplitude. En second lieu, un algorithme de consensus d'échantillons aléatoires adaptatifs (« adaptive random sample consensus », A-RANSAC) a été mis en œuvre pour estimer la pente du paramètre de taux variable de la distribution gamma afin d’améliorer la précision de la méthode. Pour valider ces changements algorithmiques, la méthode proposée a été comparée à trois méthodes récentes permettant d’estimer également l’atténuation des ondes de cisaillements (méthodes de décalage en fréquence, de décalage en fréquence en deux points et une méthode ayant comme acronyme anglophone AMUSE) à l'aide de données de simulations ou fantômes numériques. Également, des fantômes de gels homogènes in vitro et des données in vivo acquises sur le foie de canards ont été traités. Comme deuxième objectif, cette thèse porte également sur le diagnostic précoce de la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) qui est nécessaire pour prévenir sa progression et réduire la mortalité globale. À cet effet, la méthode de décalage en fréquence revisitée a été testée sur des foies humains in vivo. La performance diagnostique de la nouvelle méthode a été étudiée sur des foies humains sains et atteints de la maladie du foie gras non alcoolique. Pour minimiser les sources de variabilité, une méthode d'analyse automatisée faisant la moyenne des mesures prises sous plusieurs angles a été mise au point. Les résultats de cette méthode ont été comparés à la fraction de graisse à densité de protons obtenue de l'imagerie par résonance magnétique (« magnetic resonance imaging proton density fat fraction », MRI-PDFF) et à la biopsie du foie. En outre, l’imagerie SWA a été utilisée pour classer la stéatose et des seuils de décision ont été établis pour la dichotomisation des différents grades de stéatose. Finalement, le dernier objectif de la thèse consiste en une étude de reproductibilité de six paramètres basés sur la technologie SW (vitesse, atténuation, dispersion, module de Young, viscosité et module de cisaillement). Cette étude a été réalisée chez des volontaires sains et des patients atteints de NAFLD à partir de données acquises lors de deux visites distinctes. En conclusion, une méthode robuste de calcul du SWA du foie a été développée et validée pour fournir une méthode de diagnostic de la NAFLD. / For diagnosis and staging of liver fibrosis, liver stiffness is a quantitative biomarker estimated by elastography methods. Ultrasound shear wave (SW) elastography utilizes noninvasive medical ultrasound to assess the mechanical properties of the liver based on the monitoring of the SW propagation. SW speed (SWS) and SW attenuation (SWA) can provide an estimation of tissue viscoelasticity. Biological tissues are inherently viscoelastic in nature and a complex mathematical model is usually required to compute viscoelasticity in SW imaging. Accurate computation of attenuation is critical, especially for accurate loss modulus and viscosity estimation. Recent studies have made attempts to increase the precision of SWA estimation, but they still face some limitations. As a first objective of this thesis, a revisited frequency-shift method was developed to improve the estimates provided by the original implementation of the frequency-shift method [Bernard et al 2017]. In the new method, the assumption of a constant shape parameter of the gamma function describing the SW magnitude spectrum has been dropped for all lateral locations, allowing a better gamma fitting. Secondly, an adaptive random sample consensus algorithm (A-RANSAC) was implemented to estimate the slope of the varying rate parameter of the gamma distribution to improve the accuracy of the method. For the validation of these algorithmic changes, the proposed method was compared with three recent methods proposed to estimate SWA (frequency-shift, two-point frequency-shift and AMUSE methods) using simulation data or numerical phantoms. In addition, in vitro homogenous gel phantoms and in vivo animal (duck) liver data were processed. As a second objective, this thesis also aimed at improving the early diagnosis of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), which is necessary to prevent its progression and decrease the overall mortality. For this purpose, the revisited frequency-shift method was tested on in vivo human livers. The new method's diagnosis performance was investigated with healthy and NAFLD human livers. To minimize sources of variability, an automated analysis method averaging measurements from several angles has been developed. The results of this method were compared to the magnetic resonance imaging proton density fat fraction (MRI-PDFF) and to liver biopsy. SWA imaging was used for grading steatosis and cut-off decision thresholds were established for dichotomization of different steatosis grades. As a third objective, this thesis is proposing a reproducibility study of six SW-based parameters (speed, attenuation, dispersion, Young’s modulus, viscosity and shear modulus). The assessment was performed in healthy volunteers and NAFLD patients using data acquired at two separate visits. In conclusion, a robust method for computing the liver’s SWA was developed and validated to provide a diagnostic method for NAFLD.

A period of cement hydration is one of critical in the life span of concrete structures. One of the reasons of collapse of concrete structural elements during and after construction is the error in determining the concrete characteristics at early age. Recently, non-destructive test emerged as a popular way to evaluate the properties of cement-based materials. This test offers continuous measurements of concrete properties as well as ability to monitor any changes in the current state of structural materials. In the existing research, some of these methods fail to capture well properties of the materials in the plastics stage. A new piezoelectric pulse testing device (Piezoelectric Ring Actuators Technique), (P-RAT ) was initially developed at the University of Sherbrook as a non-destructive test (NDT ) for soil. This technique is considered a completely new, versatile, advanced and accurate. The development of the new technique (P-RAT ) was done on two main bases: the first was the development of piezoelectric ring actuators set-up and the second is the development of the interpretation method. The setup is composed of two main units; emitter and receiver, and is capable of measuring shear and compression wave velocities in specimens. With this technique, many problems of pulse tests, which make interpretation of results difficult and ambiguous, were solved in soil. The P-RAT overcomes wave reflections at boundaries (end-caps and sides), sample disturbance, weak shear coupling between soil and device (interaction) as well as the fixation problems, low resonant frequency and limited input voltage of the existing device. The previous method is exploited forward to measure the hydration properties of cement-based material. To apply this test method, it is necessary to determine how the evolution of shear wave velocity can be related and sensitive to the hydration of cement-based materials. Validation of the P-RAT with four conventional test setups that can be used to monitor early setting and hydration of cement-based materials is carried out. These tests include penetration resistance to monitor initial and final setting respectively, calorimetric to monitor heat of hydration, electrical conductivity to monitor change in continuity of the pore structure and compressive strength at 24 hours. The phase one of this investigation included trial tests to investigate the possibility of employing the original setup used for soil (P-RAT ) to determine setting and hardening properties of cement-based material. Based on the results of the preliminary test, two modifications were conducted to the previous test device to fit with cement based material and to obtain adequate resonant frequency for cement-based materials. These modifications are the design of the container and changing the dimensions of the rings. The resultant version of P-RAT after the modification was referred to be as P-RAT2 . Calibration of the P-RAT2 with water specimen was undertaken using the compression wave velocity and resulted in 99.33% accuracy. One paste mixture was tested three times to determine the experimental error of the P-RAT2 . The repeatability carried out on the P-ART2 proved the ability of this setup to capture accurate results of the shear wave velocity. This relative error is limited to 9 %. A number of series of validation was performed on cement paste and mortar mixtures proportioned with various water cement ratios (w/cm ) as well as chemical admixtures. The w/cm ratio ranged between (0.35 and 0.50). The investigated chemical admixtures comprise of high-range water-reducing agent, viscosity-modifying agent, set-accelerating agent, and set-retarding agent. The presented validations examine the ability of a P-RAT2 to monitor the hydration of the cement-based materials. The hydration is characterized by setting time, heat of hydration, electrical conductivity, and compressive strength at 24 hours. The results obtained using the P-RAT2 was correlated to those obtained using the conventional tests and strength measurement. The results enable to validate the ability of P-RAT2 to accurately detect variations in the hydration of cement-based materials. In addition, the initial and final time of setting can be determined from the derivation of velocity vs. time curve. The results show that conductivity, resistivity, has a bilinear relationship to shear wave velocity. The compressive strength at 24 hours was correlated to both the shear wave velocity and shear modulus obtained using the P-RAT2 . Furthermore, analytical model was derived to estimate the w/cm in mortar mixture by measuring the shear wave velocity (V[subscript s] ) and the corresponding time (t )||Résumé : La période d'hydratation du ciment est l'une des périodes clé du cycle de vie des structures en béton. L'une des raisons de l'effondrement d'éléments structuraux en béton pendant et après la construction peut être attribuée à une détermination des caractéristiques au jeune âge erronée. Depuis quelques années, l’auscultation des structures est devenue une méthode très populaire pour évaluer les propriétés des matériaux cimentaires. Cette méthode permet d'obtenir les propriétés du béton en continue et possibilité un suivi de changements dans I'état des matériaux structuraux. Dans I'état actuel de la recherche dans ce domaine, certaines méthodes ne sont pas adéquates pour bien mesurer les propriétés des matériaux à I'état plastique. Un nouvel appareil d'essai à impulsions piezoélectriques (Piezoelectric Ring Actuators technique), (P-RAT) a initialement été développé à l’Université de Sherbrooke comme technique d'auscultation des sols. Cette technique est considérée complètement nouvelle, polyvalente, évoluée et précise. Le développement de cette nouvelle technique (P-RAT) a été effectué en deux volets : la première sole est le développement du dispositif de vérin de commande annulaire piezoélectrique et le deuxième est le développement d'une méthode d'interprétation. Le dispositif d'essai est composé de deux unités principales, un émetteur et un récepteur. Et permet de mesurer la vitesse de propagation des ondes de cisaillement et de compression. Grâce à cette technique, plusieurs des problèmes associés aux dispositifs d'essais par impulsion des ondes, qui rendent les résultats ambigus et difficiles à interpréter, ont été résolu pour les sols. Le dispositif P-RAT surmonte les problèmes de réflexion des ondes aux limites (embouts et côtés), la perturbation de l’échantillon, le couplage de cisaillement faible entre le sol et l'appareil (interaction) ainsi que les problèmes de fixation, la faible résonnance des fréquences et le voltage d'entrée limité du dispositif. La méthode décrite a été utilisée pour mesurer les propriétés d'hydratation des matériaux cimentaires. Pour pouvoir appliquer cette méthode, il faut déterminer comment l’évolution de la propagation des ondes de cisaillement peut être reliée à l'hydratation des matériaux cimentaires et être sensible à ces dernières. La validation de la méthode P-RAT est réalisée, à l'aide de quatre configurations conventionnelles que l’on peut utiliser pour faire le suivi de la prise et de l'hydratation des matériaux cimentaires. Ces essais consistent à la résistance à la pénétration afin de pouvoir déterminer la prise initiale et finale, la calorimétrie pour suivre l’evolution de la chaleur d'hydratation, la conductivité électrique pour effectuer le suivi de la structure des pores et la résistance à la compression à 24 heures. La phase 1 de l'étude comprend des essais pour évaluer la possibilité d'utiliser la configuration originale utilisée pour les sols (P-RAT) pour déterminer les propriétés de prise et de durcissement des matériaux cimentaires. Selon les résultats des essais préliminaires, deux modifications ont été effectuées à l'appareil original pour permettre son utilisation avec des matériaux cimentaires et pour obtenir une fréquence de résonnance raisonnable sur les matériaux cimentaires. Les modifications effectuées sont la conception du contenant et un changement de la dimension des anneaux. La version modifiée du P-RAT est designée P-RAT2. La calibration du P-RAT2 à l'aide d'échantillon liquide sous propagation d'ondes de compression a été menée, avec des résultats d'une précision de 99,33 %. Un mélange a été testé trois fois pour déterminer l'erreur expérimentale du P-RAT2. La répétitivité des essais sur le PART2 a démontré la capacité de cet appareil à produire des résultats de cisaillement de propagation des ondes de cisaillement très précis. L'erreur relative se limite à 9 %. Une série d'essais de validation a été menée sur des mélanges de pâte de ciment et de mortier de rapport eau/ciment variés (e/c) ainsi qu'avec des adjuvants. Le rapport e/c variait entre 0,35 et 0,50. Les adjuvants utilisés étaient des supers plastiflants (réducteur d'eau), des agents de viscosité, des agents accélérateurs de prise et des agents retardateurs de prise. Les validations présentées ont pour but de valider la capacité du P-RAT2 à suivre l'hydratation des matériaux cimentaires. L'hydratation est caractérisée par le temps de prise, la chaleur d'hydratation, la conductivité électrique et la résistance à la compression à 24 heures. Les résultats obtenus à l'aide du P-RAT2 ont été comparés à ceux obtenus à l'aide d'essais de mesure des caractéristiques physiques et de résistance traditionnels. Ces résultats permettent de valider la capacité du P-RAT2 à détecter avec précision les variations dans l'hydratation des matériaux cimentaires. De plus, le dispositif P-RAT2 peut avoir une correction avec mesure obteniez avec les appareils traditionnels. II est aussi possible de déterminer le temps de prise initial et final à l'aide d'une courbe de propagation vs le temps. Les résultats montrent que la conductivité et la résistivité ont une relation bilinéaire à la propagation des ondes de cisaillement. La résistance à la compression à 24 heures a été comparee à la fois à la propagation des ondes de cisaillement et au module de cisaillement obtenus avec le P-RAT2. De plus, un modèle analytique a été établi pour estimer le rapport e/c dans le mélange de mortier en mesurant la propagation des ondes de cisaillement (V) correspondant au temps (t).

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein. / In the context of breast tissue characterization, one may wonder what the consideration of a quantitative ultrasound (QUS) feature of a scattering medium (such as a soft biological tissue) under propagation of a shear wave adds to its discriminant power. This work presents a study of the time varying behavior of three statistical parameters (the mean intensity, the structure parameter and the clustering parameter of scatterers) of a general model for the ultrasound backscattering echo envelope (i.e., the homodyned K-distribution) under shear wave propagation. Transient shear waves were generated using the supersonic shear imaging (SSI) method in three in-vitro macroscopically homogenous breast mimicking phantoms with different mechanical properties, and two ex-vivo heterogeneous phantoms with mice tumors included in an agar gelatin surrounding medium. A comparison of the range of the three homodyned K-distribution parameters with and without shear wave propagation showed that the parameters were significantly (p < 0.001) affected by shear wave propagation in the in-vitro and ex-vivo experiments. The results also demonstrated that the dynamic range of the statistical parameters during shear wave propagation may help discriminate (with p < 0.001) the three in-vitro homogenous phantoms from each other, and also the mice tumors from their surrounding medium in the ex-vivo heterogeneous phantoms. Furthermore, a linear regression model was applied to relate the range of the mean intensity under shear wave propagation with the maximum displacement amplitude of speckle. The linear regression was found to be significant : in-vitro phantoms : R2 = 0.98, p < 0.001 ; ex-vivo tumors : R2 = 0.56, p = 0.013 ; ex-vivo surrounding medium : R2 = 0.59, p = 0.009. In contrast, the linear regression was not as significant between the mean intensity without shear wave propagation and mechanical properties of the medium : in-vitro phantoms : R2 = 0.07, p = 0.328, ex-vivo tumors : R2 =0.55, p = 0.022 ; ex-vivo surrounding medium : R2 = 0.45, p = 0.047. This novel approach may provide additional information to statistical QUS traditionally performed in a static framework (i.e., without shear wave propagation), for instance, in the context of ultrasound imaging for breast cancer classification.

Cardiovascular diseases are the leading causes of death worldwide and improved diagnostic methods are needed for early intervention and to select the most suitable treatment for patients. Currently, carotid artery plaque vulnerability is typically determined by visually assessing ultrasound B-mode images, which is influenced by user-subjectivity. Since plaque vulnerability is correlated to the mechanical properties of the plaque, quantitative techniques are needed to estimate plaque stiffness as a surrogate for plaque vulnerability, which would reduce subjectivity during plaque assessment. The work in this thesis focused on three noninvasive ultrasound-based techniques to quantitatively assess plaque vulnerability and measure arterial stiffness. In Study I, a speckle tracking algorithm was validated in vitro to assess strain in common carotid artery (CCA) phantom plaques and thereafter applied in vivo to carotid atherosclerotic plaques where the strain results were compared to visual assessments by experienced physicians. In Study II, hard and soft CCA phantom plaques were characterized with shear wave elastography (SWE) by using phase and group velocity analysis while being hydrostatically pressurized followed by validating the results with mechanical tensile testing. In Study III, feasibility of assessing the stiffness of simulated plaques and the arterial wall with SWE was demonstrated in an ex vivo setup in small porcine aortas used as a human CCA model. In Study IV, SWE and pulse wave imaging (PWI) were compared when characterizing homogeneous CCA soft phantom plaques. The techniques developed in this thesis have demonstrated potential to characterize carotid artery plaques. The results show that the techniques have the ability to noninvasively evaluate the mechanical properties of carotid artery plaques, provide additional data when visually assessing B-mode images, and potentially provide improved diagnoses for patients suffering from cerebrovascular diseases. / <p>Doctoral thesis in medical technology and medical sciences</p><p>QC 20160921</p>

Gypsum rich soils are found in many parts of the world, particularly in arid and semi-arid regions. Most gypsum occurs in the form of evaporites, which are minerals that precipitate out of water due to a high rate of evaporation and a high mineral concentration. Gypsum rich soils make good foundation material under dry conditions but pose major engineering hazards when exposed to water. Gypsum acts as a weak cementing material and has a moderate solubility of about 2.5 g/liter. The dissolution of gypsum causes the soils to undergo unpredictable collapse settlement leading to severe structural damages. The damages incur heavy financial losses every year. The objective of this research was to use geophysical methods such as free-free resonant column testing and electrical resistivity testing to characterize gypsum rich soils based on the shear wave velocity and electrical resistivity values. The geophysical testing methods could provide quick, non-intrusive and cost-effective methodologies to screen sites known to contain gypsum deposits. Reconstituted specimens of ground gypsum and quartz sand were prepared in the laboratory with varying amounts of gypsum and tested. Additionally geotechnical tests such as direct shear strength tests and consolidation tests were conducted to estimate the shear strength parameters (drained friction angle and cohesion) and the collapse potential of the soils. The effect of gypsum content on the geophysical and geotechnical parameters of soil was of particular interest. It was found that gypsum content had an influence on the shear wave velocity but had minimal effect on electrical resistivity. The collapsibility and friction angle of the soil increased with increase in gypsum. The information derived from the geophysical and geotechnical tests was used to develop statistical design equations and correlations to estimate gypsum content and soil collapse potential.

La fibrillation atriale (FA) est l’arythmie cardiaque la plus fréquente. Elle touche près de 750 000 personnes en France. La technique de traitement la plus courante est l’ablation intracardiaque par radiofréquence (RF). Son principe consiste à isoler électriquement les veines pulmonaires du reste de l’oreillette. Cependant cette technique est invasive et a une efficacité limitée. Les Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) permettent de léser à distance de façon précise les tissus biologiques. Un traitement de la FA par HIFU transoesophagiens aurait l’avantage d’être mini-invasif et plus efficace qu’un traitement par RF intracardiaque de par la possibilité de générer des lésions transmurales sans nécessiter de contact entre la sonde et la zone à traiter. Un applicateur HIFU transoesophagien à guidage échographique intégré a donc été développé pour le traitement de la FA. Le transducteur peut focaliser le faisceau ultrasonore de 17 mm à 55 mm de profondeur avec une intensité acoustique maximale à sa surface de 12 W•cm-2. Une procédure de traitement HIFU préservant les tissus adjacents a été simulée numériquement sur un modèle anatomique réaliste. Des lésions HIFU transoesophagiennes ont été obtenues ex vivo dans du myocarde dans des conditions anatomiques et physiologiques proches de l’in vivo. Des essais préliminaires d’élastographie par ondes de cisaillement ont permis d’évaluer la faisabilité d’un contrôle de la formation des lésions à l’aide du transducteur d’imagerie intégré. Une première série d’expérimentations in vivo sur le modèle porcin a finalement permis de valider la procédure de traitement et d’induire des dommages biologiques dans le tissu cardiaque / Atrial fibrillation (AF) is the most frequent cardiac arrhythmia. This pathology affects more than 750,000 persons in France. Radiofrequency (RF) endocardial ablation is performed to treat this disease and involves the generation of transmural thermal lesions, to isolate electrically the pulmonary veins (PV) from the left atrium. The technique is, however, invasive and has a limited efficiency, especially for ensuring transmurality which requires a perfect contact between the RF probe and cardiac tissues. High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) allows the creation of precise thermal lesions, deep within biological tissues. A transesophageal HIFU approach could provide a minimally-invasive alternative for AF treatment, since deep transmural lesions could be generated at distance from the HIFU probe. In this work, an ultrasound-guided transesophageal applicator has been developed for AF treatment. The HIFU transducer, embedding a transesophageal echocardiography (TEE) probe, can focus the acoustic beam from 17 to 55 mm axially and generate a surface acoustic intensity up to 12 W•cm-2. A complex treatment plan, the HIFU Mini-Maze (HIFUMM), was successfully simulated on a realistic anatomical human model. Transesophageal HIFU lesions were induced experimentally in static myocardium, under ex vivo configurations reflecting an increasing complexity in anatomical and physiological conditions. Investigations conducted on shear wave elastography confirmed the feasibility of using TEE to control the formation of HIFU lesions. Finally, in vivo experiments in a porcine model allowed validating the treatment procedure by inducing biological damages in beating heart

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.

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. / MR-elastography (MRE) is a non-invasive functional Imaging technique using tissue mechanical visco-elastic properties to evaluate tissue stifness. MRE is different from elasticity Imaging in ultrasound, as it is possible to evaluate tumour viscosity. Combining viscosity and elasticity may improve MRI accuracy, in comparison with classical morphological and kinetics criteria. Only very few studies are focused on breast MRE, because of low availability of dedicated breast coils with MRE devices. Firstly, we developed and optimized a breast MRE sequence on a population of 10 volunteers. This sequence is based on a Spin Echo EPI-MRE 3D, and it was possible to acquire 50 slices on one breast in 10 minutes, which is applicable in a clinical routine in breast MRI. Secondly, a multi-frequency approach 37,5 Hz, 75 Hz and 112,5 Hz has been evaluated on the last three volunteers, then transferred to our patient’s population. A continous diffusion of waves within the breast was possible with this multifrequency approach sequence. 50 patients presenting undetermined or suspicious breast lesions (37 cancers, 13 benign lesions) were included in this study and examined with a standard breast MRI and MRE sequence. Some patients were also examined with shear-wave ultrasound elastography (ARFI mode, Siemens ®). Morphological, kinetic and visco-elastic MR parameters were correlated to pathology. We demonstrated that MR visco-elastic properties were strongly correlated with Bi-RADS ACR malignancy score of a breast lesion and with malignant and benign status. The best parameter was Gd (dynamic modulus), which corresponded to lesion stiffness. Gd was lower in case of BI-RADS 5 lesions. Gl parameter (Loss modulus) was higher in malignant lesions in comparison with benign lesions, with viscosity level statistically higher in malignant lesions. The best criterion was the ratio y (Gl/Gd), which was significantly higher in malignant lesions in comparison with benign lesions; ratio y was statistically an independent factor. In practice, addition of a MRE sequence to a standard breast MRI improved significantly breast MRI Sensitity (78 to 91 %) without reduction in specificity; Sp was anyway initially high in our study. Nevertheless, we didn’t demonstrate a statistical correlation with fibrosis, vascular grading or necrosis with MRE parameters, to explain visco-elastic properties of breast tumours. In conclusion, MR-elastography may be useful to improve breast MRI accuracy. In future studies, MRE sequence may be optimized to allow a bilateral acquisition on both breasts, which would be useful in clinical practice. Future works could include higher number of patients to confirm our results.

Chronic liver diseases are the eighth leading cause of death in Brazil and a major public health problem in the world. Liver biopsy is the best available reference standard for evaluating and classifying stages of liver diseases, but it presents limitations and complications that are common in invasive methods. In recent years, elasticity imaging methods have been the focus of intense research activity with the ability to measure mechanical properties of soft tissues in a non-invasive way. Shear wave elastography is one of the most promising methods because it enables to quantitatively assess tissue elasticity. However, the current depth range of shear wave elastography impedes its application in obese patients, which have a great risk of developing liver disease. The aim of this study is to investigate the use of shear wave elastography in deeper tissues using a two-dimensional ultrasound transducer array. An efficient transducer array arrangement was simulated, fabricated and characterized. The results show that the proposed transducer configuration presents enhanced transmitting capabilities for generating tissue displacement in deeper tissues. In addition, numerical simulations were performed in order to track the tissue deformation and reconstruct its elastic properties. / Doenças crônicas do fígado são a oitava causa de morte no Brasil e um dos principais problemas de saúde pública do mundo. A biópsia do fígado é o melhor padrão de referência disponível para avaliação e classificação dos estágios das doenças hepáticas, mas apresenta limitações e complicações que são comuns nos métodos invasivos. Nos últimos anos, métodos de imagem por elasticidade têm sido o foco de intensa atividade de pesquisa, pois têm a capacidade de medir propriedades mecânicas dos tecidos moles de maneira não invasiva. A elastografia por ondas de cisalhamento é um dos métodos mais promissores, pois permite avaliar quantitativamente a elasticidade do tecido. No entanto, a atual faixa de profundidade da elastografia por ondas de cisalhamento impede sua aplicação em pacientes obesos, que apresentam grande risco de desenvolver doença hepática. O objetivo deste estudo é investigar o uso da elastografia por onda de cisalhamento em tecidos mais profundos usando um transdutor de ultrassom bidimensional. Uma configuração eficiente de transdutores matriciais foi simulada, fabricada e caracterizada. Os resultados mostram que o transdutor proposto possui capacidade de transmissão melhorada para gerar deslocamento em tecidos profundos. Além disso, simulações numéricas foram realizadas para monitorar a deformação do tecido e reconstruir suas propriedades elásticas.