<p>Tissue stiffness can be an indicator of various types of ailments. However, no standard diagnostic imaging modality has the capability to depict the stiffness of tissue. To overcome this deficiency, various elasticity imaging methods have been proposed over the past 20 years. A promising technique for elasticity imaging is acoustic radiation force impulse (ARFI) based shear wave imaging. Spatially localized acoustic radiation force excitation is applied impulsively to generate shear waves in tissue and its stiffness is quantified by measuring the shear wave speed (SWS).</p><p>The aim of this thesis is to contribute to both the clinical application of ARFI shear wave imaging and its technical development using the latest advancements in ultrasound imaging capabilities.</p><p>To achieve the first of these two goals, a pilot imaging study was conducted to evaluate the suitability of ARFI shear wave imaging for the assessment of liver fibrosis using a rodent model of the disease. The stiffness of severely fibrotic rat livers were found to be significantly higher than healthy livers. In addition, liver stiffness was correlated with fibrosis as quantified using collagen content.</p><p>Based on these findings, an imaging study was conducted on patients undergoing liver biopsy at the Duke University Medical Center. A robust SWS estimation algorithm was implemented to deal with noisy patient shear wave data using the random sample consensus (RANSAC) approach. RANSAC estimated liver stiffness was found to be higher in severely fibrotic and cirrhotic livers, suggesting that ARFI shear wave imaging may potentially be useful for the staging of severe</p><p>fibrosis in humans.</p><p>To achieve the second aim of this thesis, a system capable of monitoring ARFI induced shear wave propagation in 3D was implemented using a 2D matrix array transducer. This capability was previously unavailable with conventional 1D arrays. This system was used to study the precision of time-of-flight (TOF) based SWS estimation. It was found that by placing tracking beam locations at the edges of the SWS measurement region of interest using the 2D matrix array, TOF SWS precision could be improved in a homogeneous medium.</p><p>The 3D shear wave imaging system was also used to measure the SWS in muscle, which does not conform to the isotropic mechanical behavior usually assumed for tissue, due to the parallel arrangement of muscle fibers. It is shown that the SWS along and across the fibers, as well as the 3D fiber orientation can be estimated from a single 3D shear wave data-set. In addition, these measurements can be made independent of the probe orientation relative to the fibers. This suggests that 3D shear wave imaging can be useful for characterizing anisotropic mechanical properties of tissue.</p> / Dissertation

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.

L'émission d'ultrasons focalisés à forte puissance peut être utilisée pour réaliser l'ablation non-invasive de zones pathogènes, de type cancéreuses par exemple. On distingue deux régimes d'ablations : ablation thermique appelée HIFU (" High Intensity Focused Ultrasound ") et ablation mécanique appelée histotripsie utilisant des ondes de chocs focalisées. Au cours de ma thèse, nous avons développé des méthodes de suivi ultrasonore en temps réel à partir d'une technique d'élastographie quantitative (Supersonic Shear wave Imaging). Nous montrerons que des mesures précises des changements d'élasticité au cours des traitements fournissent un suivi et un guidage avec une robustesse aux mouvements du patient. En effet, l'élastographie nous a permis d'une part de cartographier la température et d'autre part de suivre la formation de lésion en temps réel qu'elle soit de type thermique (HIFU) ou mécanique (histotripsie). Nous aborderons aussi une technique d'inversion totale du front d'onde appliquée à SSI qui améliore la sensibilité à la perte d'information due au bruit et à l'hypoéchogénicité existante dans certaines lésions. Enfin, nous présenterons un nouveau concept de cavité à retournement temporel " réglable " pour l'émission d'impulsions de très fortes pressions à partir d'un nombre limité de transducteurs. Notre prototype a permis de générer des ondes de chocs focalisées au sein d'une étendue considérable et de multiplier par 17 la pression d'une sonde d'imagerie conventionnelle. Ainsi, à partir d'électroniques basse-puissance à faible coût, ce dispositif thérapeutique pourrait avoir de nombreuses applications thérapeutiques limitées actuellement par des contraintes géométriques.

A la croisée des chemins entre médecine et physique des ultrasons, ce travail de thèse s’est intéressé à l’apport de solutions diagnostiques et de thérapeutiques novatrices dans le domaine de l’électrophysiologie cardiaque. Un système capable de délivrer des ultrasons focalisés dans le cœur par voie transoesophagienne sous guidage par ultrasons a été développé et testé in vivo chez 6 porcs. Les tirs HIFU ont été délivrés sur les oreillettes et les ventricules. Lors de l'autopsie, une analyse visuelle a démontré la présence de lésions thermiques dans les zones ciblées chez 3 animaux. Ces lésions ont été confirmées par analyse histologique (taille moyenne: 5,5 mm2 x 11 mm2). Aucune lésion thermique œsophagienne n'a été observée. Un animal a présenté une bradycardie due à un bloc auriculo-ventriculaire, ce qui a permis de confirmer une réelle interaction entre les tirs HIFU et le tissu nodal cardiaque. Nous avons cependant observé un manque de précision, principalement lié aux mouvements cardiaques ainsi qu’aux structures anatomiques situées entre les zones ciblées et le transducteur de thérapie. Ces difficultés ont été principalement reliées à l’anatomie du modèle porcin, loin de celle de l’être humain. La recherche d'un meilleur modèle a conduit à des tests d'imagerie concluants sur des babouins.Des expériences supplémentaires ont été conduites afin d'améliorer la cartographie des arythmies ventriculaires et le suivi de la formation de lésions pendant l'ablation.Des expériences ont été menées sur les ventricules gauches de quatre coeurs de porcs en mode travaillant. Le protocole visait à démontrer que différents modèles d'activation mécanique pouvaient être observés, que le ventricule soit en rythme sinusal, stimulé depuis l'épicarde ou l'endocarde. Des acquisitions d’imagerie de déformation électromécanique (EWI) ont été enregistrées sur les faces antérieures, latérales et postérieures du ventricule gauche. Les boucles ont été ensuite analysées à l’aveugle par deux lecteurs indépendants.Les interprétations des séquences EWI étaient correctes dans 89% des cas. Le taux de concordance globale entre les deux lecteurs était de 83%. Dans un ventricule stimulé, l'origine du front d'onde était focale et provenait de l'endocarde ou de l'épicarde stimulé. En rythme sinusal, le front d'onde était activé depuis tout l'endocarde, en direction de l'épicarde, à une vitesse de 1,7 ± 0,28 m.s-1. Les vitesses du front d'onde ont été mesurées respectivement lorsque l'endocarde ou l'épicarde étaient stimulés à une vitesse de 1,1 ± 0,35 m.s -1 et 1,3 ± 0,34 m.s-1 (p = NS). Nous avons aussi démontré sur des échantillons ex-vivo que l'imagerie trans oesophagienne par analyse des ondes de cisaillement (élastographie) pouvait cartographier l'étendue des lésions HIFU. Des tirs HIFU ont été réalisés à l'aide de la sonde trans oesophagienne sur des échantillons de blancs de poulet (n = 3), puis sur un modèle porcin ex vivo d'oreillette (gauche, n = 2) et de ventricule gauche (n = 1). L’élastographie a fourni des cartes de rigidité des tissus avant et après l'ablation. Les zones des lésions ont été obtenues par analyse et quantification des changements de couleur des tissus puis ont été comparées aux images par élastographie. Dans le blanc de poulet, la rigidité est passée en moyenne de 4.8±1.1 kPa à 20.5±10.0 kPa (ratio 5.0±3.2). Dans le ventricule gauche, la rigidité est passée en moyenne de 21.2±3.3kPa à 73.8±13.9kPa (ratio 3.7±1.2). Dans l’oreillette gauche, la rigidité est passée en moyenne de 12.2±4.3 kPa à 30.3±10.3 (ratio 3.2±2.0). En histologie, la taille des lésions variait de 0.1 à 1.5 cm2 dans la zone du plan d'imagerie. Les caractéristiques morphométriques étaient similaires entre histologie et élastographie / At the crossroads of medicine and physics, this work aimed to provide innovative diagnostic and therapeutic tools based on ultrasound, in the field of cardiac electrophysiology. A system capable of delivering HIFU into the heart by a transesophageal route using ultrasound (US) imaging guidance was developed and tested in vivo in six male pigs. HIFU exposures were performed on atria and ventricles. At the time of autopsy, visual inspection identified thermal lesions in the targeted areas in three of the animals. These lesions were confirmed by histologic analysis (mean size: 5.5 mm2 x 11mm2). No esophageal thermal injury was observed. One animal presented with bradycardia due to an atrio-ventricular block, which provides real-time confirmation of an interaction between HIFU and the electrical circuits of the heart. There was still a lack of accuracy, mainly related to cardiac motion, and to anatomical structures in between the targets and the transducer. It was mainly related to the in vivo model and its anatomy, far from the human’s. The search for a better model led to conclusive imaging tests on baboons. Additional experiments were conduced in order to improve the mapping of ventricular arrhythmias and the monitoring of lesion formation during ablation. First, experiments were conducted on left ventricles of four isolated working mode swine hearts. The protocol aimed at demonstrating that different patterns of mechanical activation could be observed whether the ventricle was in sinus rhythm, paced from the epicardium, or from the endocardium. Electromechanical wave imaging (EWI) acquisitions were recorded on the anterior, lateral, and posterior segments of the left ventricle. Loop records were blindly assigned to two readers. EWI sequences interpretations were correct in 89% of cases. The overall agreement rate between the two readers was 83%. When in a paced ventricle, the origin of the wave front was focal and originating from the endocardium or the epicardium. In sinus rhythm, wave front was global and activated within the entire endocardium towards the epicardium at a speed of 1.7±0.28 m.s-1. Wave front speeds were respectively measured when the endocardium or the epicardium were paced at a speed of 1.1 ± 0.35 m.s-1 vs 1.3±0.34 m.s-1 (p=NS). Lastly, we investigated the feasibility of a dual therapy and imaging approach with the same transoesophageal device. We demonstrated on ex-vivo samples that transoesophageal shear wave imaging (SWE) can map the extent of the HIFU lesions. HIFU ablation was performed with the transoesophageal probe on ex-vivo chicken breast samples (n=3), then atrium (left, n=2) and ventricle (left n=1, right n=1) of swine heart tissues. SWE provided stiffness maps of the tissues before and after ablation. Areas of the lesions were obtained by tissue color change with gross pathology and compared to SWE. Shear modulus of the ablated zones increased from 4.8±1.1 kPa to 20.5+/-10.0 kPa (ratio 5.0±3.2) in the chicken breast, from 12.2±4.3 kPa to 30.3±10.3 (ratio 3.2±2.0) in the atria and from 21.2±3.3kPa to 73.8±13.9kPa (ratio 3.7±1.2) in the ventricles. On gross pathology, the size of the lesions ranged from 0.1 to 1.5cm2 in the imaging plane area and morphometric characteristics were fitting with elasticity-estimated depths and widths of the lesions