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Yes / The gadolinium-doped iron oxide nanoparticles (GdIONP) with greater specific power adsorption rate (SAR) than Fe3O4 was developed and its potential application in tumour therapy and particle tracking were demonstrated in transgenic adenocarcinoma of the mouse prostate C1 (TRAMP-C1) tumours. The GdIONPs accumulated in tumour region during the treatment could be clearly tracked and quantified by T2-weighted MR imaging. The therapeutic effects of GdIONP-mediated hyperthermia alone or in combination with radiotherapy (RT) were also evaluated. A significant increase in the tumour growth time was observed following the treatment of thermotherapy (TT) only group (2.5 days), radiation therapy only group (4.5 days), and the combined radio-thermotherapy group (10 days). Immunohistochemical staining revealed a reduced hypoxia region with vascular disruption and extensive tumour necrosis following the combined radio-thermotherapy. These results indicate that GdIONP-mediated hyperthermia can improve the efficacy of RT by its dual functions in high temperature (temperature greater than 45 °C)-mediated thermal ablation and mild-temperature hyperthermia (MTH) (temperature between 39 and 42 °C)-mediated reoxygenation.

Les ablations thermiques percutanées guidées par IRM sont actuellement contrôlées en temps réel grâce à la thermométrie IRM. Cependant, aucune information directement associée aux changement de propriétés intrinsèques du tissu n’est disponible pendant la procédure. Ces travaux offrent la possibilité d’un monitorage plus complet des ablations thermiques grâce à l’Elastographie par Résonance Magnétique (ERM) combinée à la thermométrie IRM. Le système proposé est composé d’un excitateur à aiguille, d’une séquence d’encodage du mouvement synchronisée sur la respiration et d’une méthode de reconstruction en temps réel de carte d’élasticité et de température. Les changements d’élasticité et de température se produisant lors d’ablations thermiques par laser ont été mesurés in vivo en temps réel avec succès grâce à ce système. Une nouvelle méthode de traitement des données ERM sans reconstruction d’images de phase est aussi proposée afin de s'affranchir d'étapes conventionnelles fastidieuses. / MR-guided percutaneous thermal ablations are currently monitored by MR thermometry. However, no information related to intrinsic property changes of the tissue is available during the procedure. The feasibility of monitoring in vivo thermal ablations by simultaneous Magnetic Resonance Elastography (MRE) and MR-thermometry is demonstrated in this work. The interventional MRE system includes a needle MRE driver, a respiratory triggered gradient-echo sequence with motion encoding, and an online reconstruction method that provides elasticity and temperature measurements in real-time. Changes in elasticity and temperature occurring during laser thermal ablations were successfully measured in vivo thanks to this interventional MRE system. An innovative method for MRE data processing without phase image reconstruction is also proposed in order to avoid challenging steps of the conventional process.

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La thérapie par faisceaux ultrasonores focalisés de forte intensité (HIFU / High Intensity Focused Ultrasound) est une nouvelle technique d’ablation tissulaire, fondée sur la focalisation de faisceaux ultrasonores de forte intensité pour réaliser une élévation de température capable de créer une nécrose thermique. Le cerveau a été jusqu’à présent peu accessible aux ultrasons car il est protégé par la boîte crânienne. Mais de nouvelles techniques de focalisation par correction des aberrations des faisceaux ultrasonores laissent espérer des applications prochaines en intracrânien, où l’HIFU pourrait constituer une intéressante alternative à la chirurgie et à la radiothérapie stéréotaxique. Le but général de ce travail a été de tester la thérapie HIFU contrôlée par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM) pour le traitement des tumeurs cérébrales dans un modèle petit animal in vivo de tumeur cérébrale. Nous espérons ainsi fournir des apports sur la thérapie HIFU et ses effets biologiques sur le cerveau et les tumeurs cérébrales, connaissances nécessaires avant de passer à des études cliniques chez l’homme. Le plan de ce travail est le suivant : 1) développement d’un protocole de thérapie HIFU contrôlé par IRM sur le cerveau sain et sur un modèle de tumeur RG2 greffée en intracérébral chez le rat ; 2) étude des effets biologiques de l’HIFU par l’IRM et l’examen anatomo-pathologique sur le tissu cérébral sain et la tumeur RG2 en intracérébral, montrant une sensibilité variable des tissus à l’hyperthermie ; 3) étude de sécurité (tolérance et effets indésirables), démonstration d’efficacité sur la tumeur RG2 (ralentissement de l’évolution tumorale et augmentation de la survie des animaux traités). En conclusion, l’HIFU a montré sa précision et son efficacité dans le traitement de la tumeur RG2 greffée en intracérébral chez le rat. Cette technique n’est cependant pas exempte de complications, notamment un œdème périlésionnel et des hémorragies intratumorales. / High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) therapy is an innovative approach for tissue ablation, based on high intensity focused ultrasound beams. At focus, HIFU induces a temperature elevation and the tissue can be thermally destroyed. For transcranial brain therapy, the skull bone is a major limitation but new adaptive techniques for focusing ultrasound through the skull are underway and in the near future HIFU therapy could be an interesting alternative to brain surgery and radiotherapy.The overall aim of this work is to test HIFU therapy guided by Magnetic Resonance Imaging (MRgHIFU) for the treatment of brain tumors in an in vivo brain tumor model in rodent in order to provide inputs for future regulatory approval for clinical trial with a clinical prototype. In this work: 1) a dedicated system for transcranial MRgHIFU in an in vivo rat brain tumor model was developed, and a full protocol was applied in healthy brain tissue of rats and in transplanted tumors; 2) the biological effects of HIFU therapy was evaluated using MRI and histology in healthy brain tissue and in RG2 brain tumor, showing a different tissue sensibility for hyperthermia; 3) tolerance and side effects were investigated and the treatment was shown to improve the animal survival time by 50%. In conclusion, HIFU therapy has proved its accuracy and efficacy in the treatment of the RG2 brain tumor transplanted intracerebral in rats. However this technique is not free of complications, in particular edema and hemorrhages.

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

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