Orientador: Eduardo Tavares Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T02:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zanella_FabioPieroni_M.pdf: 8365446 bytes, checksum: c1fa57572fdaf7e48b08a6a5fb58a524 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O ultra-som na medicina tem passado por enorme evolução nas últimas décadas e ocupado posição de destaque cada vez maior como ferramenta para terapia e diagnóstico. Isso é devido principalmente ao fato de que os equipamentos de diagnóstico por ultra-som são de relativo baixo custo, o ultra-som é uma radiação não-ionizante e permite realização de exame por método não-invasivo e as imagens são geradas e visualizadas em tempo real. Na geração de imagens deste tipo, é comum a utilização de transdutores matriciais. Entretanto, o Brasil apresenta defasagem tecnológica com respeito à construção destes transdutores e à eletrônica envolvida em sua operação. O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de circuitos eletrônicos com 12 canais de geração e de recepção de ondas ultra-sônicas para operação com transdutor matricial linear. O sistema é capaz de excitar transdutores piezoelétricos e receber ecos ultra-sônicos na faixa de 0,5 a 30 MHz e tem seus circuitos de recepção protegidos contra a alta tensão dos pulsos gerados para a excitação do transdutor. Os disparos dos elementos do transdutor e o tempo de corte dos sinais nos circuitos de recepção, para evitar receber sinais indesejáveis referentes ao período inicial de oscilação do transdutor, são controlados via circuito com microcontrolador PIC 16F877 que, juntamente com o programa de controle, foram desenvolvidos para conectar o sistema a um microcomputador. Os 12 canais foram caracterizados eletricamente e verificou-se seu funcionamento utilizando um transdutor piezoelétrico linear de 12 elementos com 1 MHz de freqüência central, especialmente desenvolvido para este trabalho. Os resultados mostraram que o sistema funciona adequadamente, gerando imagem de um phantom construído em nosso laboratório / Abstract: Ultrasound in medicine has gone through great evolution in the last few decades and has occupied important position as a tool for therapy and diagnosis. This is due to the ultrasound equipment be of relatively low-cost, ultrasound is a non-ionizing radiation, is a non-invasive imaging method, and the images are created and seen in real time. It is common the use of transducer arrays in order to generate this kind of image. There is a lack of know how in Brazil relative to the construction of these transducers and the involved electronics in their operation. The objective of this work was the development of a multi-purpose 12 channel pulser/receiver electronic circuitry to operate with linear transducer arrays. The system is able to fire ultrasound piezoelectric transducers and to receive ultrasound echo signals in the range 0.5-30 MHz. The system has reception circuits with protection against high voltage pulses. The firing of transducer elements and cutting time of the reception circuits, to avoid unwanted signals of natural initial transducer oscillations, can be controlled via PIC 16F877 hardware and software designed to connect the system to a microcomputer. The electrical characteristics of the 12 channel pulser/receiver and its use in firing a specially constructed 1 MHz 12 element PZT transducer array has been carried out and the images of a specially constructed phantom showed that it can be used in laboratory conditions / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide. / The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.

Abstract In brain surgery the operated region is often removable pathological tissue or a functional nucleus. To reach the region neurosurgeons utilize imaging and guiding methods to locate and demarcate the region of surgical interest (ROSI). This thesis has focused on the three most common intraoperative imaging modalities used in brain surgery, namely magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound imaging (US) and computed tomography (CT). The aim was to form practical intraoperative imaging concepts for brain tumor resections and stereotactic procedures and then to evaluate their feasibility and accuracy. A versatile intraoperative MRI (iMRI) unit based on a 0.23 T resistive C-shaped scanner was designed, assembled and studied. The horizontally open resistive magnet enabled a staged imaging protocol with adequate image quality during neurosurgical operations while minimizing patient movement between the imaging and surgical spaces. Turning off the magnetic field eliminated the safety risks associated with operating in magnetic fringe fields. Edema attenuation was studied to investigate the capability of inversion recovery (IR) MRI-sequences to suppress signal from edema, thereby differentiating it from resectable tumor and improving image quality in the low-field MRI unit. Use of the edema suppression IR sequence was a promising tool for image guided neurosurgery (IGS) in the context of the ROSI paradigm, but its use intraoperatively was restricted by clinical limitations. Use of the second intraoperative imaging method, US, was studied in the intraoperative MRI environment. When these intraoperative imaging modalities, US and MRI, were interlinked together using the neuronavigation method, the localization and delineation of the region of surgical interest was more reliable. The third intraoperative imaging method, CT with limited scanning volume, was studied in stereotactic operations where exact spatial information is the fundamental property at the cost of soft tissue contrast. The concept allowed neurosurgeons to scan the patients intraoperatively in 2D- or 3D-mode, to calculate coordinates of the specific target, to control the positioning of the applied instruments and to ensure final position of implanted objects. Thus neurosurgeons obtained valuable supplemental information of the results including the possibility to exclude hemorrhages. Results of this thesis indicate that the use of intraoperative imaging methods with the neuronavigation should be available in sophisticated neurosurgical centers and used selectively in neurosurgical operations. Users should be familiar with the benefits and limitations of applied modalities. / Tiivistelmä Tutkimus käsittelee magneettikuvauksen (MK), ultraäänikuvauksen (UÄ) ja tietokonetomografian (TT) käyttöä aivojen neurokirurgisissa operaatioissa. Päämääränä oli muodostaa edellä mainittuja menetelmiä soveltamalla leikkauksen aikaisen kuvantamisen konsepteja, joita voidaan käyttää aivotuumoreiden poistoissa ja aivojen stereotaktisissa toimenpiteissä. Työssä on myös tutkittu konseptien käytettävyyttä ja tarkkuutta. Leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen tutkimiseksi suunniteltiin ja toteutettiin resistiiviseen ja avoimeen 0,23 T:n MK-laitteistoon perustuva leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen konsepti. Horisontaalisesti avoin, resistiivinen ja matalakenttäinen MK-laitteisto mahdollisti neurokirurgisen potilaan kuvantamisen tarkoituksenmukaisella kuvanlaadulla ja kirurgisen toiminnan samassa tilassa vähäisellä potilaan siirtämisellä kuvantamis- ja operointialueen välillä. Magneettikentässä työskentelyyn liittyvät riskit voitiin minimoida sammutettavan magneettikentän avulla. Kasvainkudoksen ympärille muodostuva aivoturvotus voi hankaloittaa leikattavan alueen paikantamista. Rajapinnan korostamiseksi selvitettiin käänteispalautukseen perustuvan MK-sekvenssin mahdollisuuksia vaimentaa aivoturvotuksesta tulevaa signaalia matalakenttäisessä magneettikuvauksessa. Aivoturvotuksen suppressointi magneettikuvista todettiin lupaavaksi työkaluksi kirurgisesti poistettavan aivokasvainalueen rajaamisessa, mutta sen käytettävyys leikkauksen aikana osoittautui rajalliseksi. Leikkauksen aikainen ultraäänikuvaus liitettiin yhteen leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen kanssa käyttämällä apuna neuronavigointilaitteistoa. Yhdistämällä nämä kaksi leikkauksen aikaista kuvantamismenetelmää saatiin täsmällisempää tietoa operoitavan kohteen sijainnista ja rajautumisesta. Stereotaktisen syväaivostimulaattorin asennuksen ohjaamiseksi ja kontrolloimiseksi kehitettiin menetelmä, jossa hyödynnetään kartiokeila-TT-laitteistoa leikkauksen aikana. Menetelmä mahdollisti potilaan kuvantamisen kaksi- ja kolmiulotteisesti leikkauksen aikana. Menetelmässä ratkaistiin käytetyn kuvantamislaitteen puutteellisen kuva-alan aiheuttamat rajoitukset. Tiedon avulla voitiin määrittää tarkasti kohdetumakkeiden stereotaktiset koordinaatit, kontrolloida toimenpiteen eri vaiheissa aivoissa käytettävien instrumenttien paikka ja varmentaa aivoihin jätettävien elektrodien lopullinen sijainti. Kuvantamisen avulla kyettiin poissulkemaan leikkauksen aikana mahdollinen aivoverenvuoto. Työn tulokset osoittavat, että leikkauksen aikainen kuvantaminen ja neuronavigointi tulisi olla käytettävissä neurokirurgisissa keskuksissa. Käytettävät menetelmät tulisi valikoida toimenpiteen mukaan ja menetelmiä soveltavien tulisi olla perehtyneitä eri modaliteettien ominaisuuksiin.

Les problèmes inverses en traitement d'images peuvent être résolus en utilisant des méthodes variationnelles classiques, des approches basées sur l'apprentissage profond, ou encore des stratégies bayésiennes. Bien que différentes, ces approches nécessitent toutes des algorithmes d'optimisation efficaces. L'opérateur proximal est un outil important pour la minimisation de fonctions non lisses. Dans cette thèse, nous illustrons la polyvalence des algorithmes proximaux en les introduisant dans chacune des trois méthodes de résolution susmentionnées.Tout d'abord, nous considérons une formulation variationnelle sous contraintes dont la fonction objectif est composite. Nous développons PIPA, un nouvel algorithme proximal de points intérieurs permettant de résoudre ce problème. Dans le but d'accélérer PIPA, nous y incluons une métrique variable. La convergence de PIPA est prouvée sous certaines conditions et nous montrons que cette méthode est plus rapide que des algorithmes de l'état de l'art au travers de deux exemples numériques en traitement d'images.Dans une deuxième partie, nous étudions iRestNet, une architecture neuronale obtenue en déroulant un algorithme proximal de points intérieurs. iRestNet nécessite l'expression de l'opérateur proximal de la barrière logarithmique et des dérivées premières de cet opérateur. Nous fournissons ces expressions pour trois types de contraintes. Nous montrons ensuite que sous certaines conditions, cette architecture est robuste à une perturbation sur son entrée. Enfin, iRestNet démontre de bonnes performances pratiques en restauration d'images par rapport à une approche variationnelle et à d'autres méthodes d'apprentissage profond.La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude d'une méthode d'échantillonnage stochastique pour résoudre des problèmes inverses dans un cadre bayésien. Nous proposons une version accélérée de l'algorithme proximal de Langevin non ajusté, baptisée PP-ULA. Cet algorithme est incorporé à un échantillonneur de Gibbs hybride utilisé pour réaliser la déconvolution et la segmentation d'images ultrasonores. PP-ULA utilise le principe de majoration-minimisation afin de gérer les distributions non log-concaves. Comme le montrent nos expériences réalisées sur des données ultrasonores simulées et réelles, PP-ULA permet une importante réduction du temps d'exécution tout en produisant des résultats de déconvolution et de segmentation très satisfaisants. / Inverse problems in image processing can be solved by diverse techniques, such as classical variational methods, recent deep learning approaches, or Bayesian strategies. Although relying on different principles, these methods all require efficient optimization algorithms. The proximity operator appears as a crucial tool in many iterative solvers for nonsmooth optimization problems. In this thesis, we illustrate the versatility of proximal algorithms by incorporating them within each one of the aforementioned resolution methods.First, we consider a variational formulation including a set of constraints and a composite objective function. We present PIPA, a novel proximal interior point algorithm for solving the considered optimization problem. This algorithm includes variable metrics for acceleration purposes. We derive convergence guarantees for PIPA and show in numerical experiments that it compares favorably with state-of-the-art algorithms in two challenging image processing applications.In a second part, we investigate a neural network architecture called iRestNet, obtained by unfolding a proximal interior point algorithm over a fixed number of iterations. iRestNet requires the expression of the logarithmic barrier proximity operator and of its first derivatives, which we provide for three useful types of constraints. Then, we derive conditions under which this optimization-inspired architecture is robust to an input perturbation. We conduct several image deblurring experiments, in which iRestNet performs well with respect to a variational approach and to state-of-the-art deep learning methods.The last part of this thesis focuses on a stochastic sampling method for solving inverse problems in a Bayesian setting. We present an accelerated proximal unadjusted Langevin algorithm called PP-ULA. This scheme is incorporated into a hybrid Gibbs sampler used to perform joint deconvolution and segmentation of ultrasound images. PP-ULA employs the majorize-minimize principle to address non log-concave priors. As shown in numerical experiments, PP-ULA leads to a significant time reduction and to very satisfactory deconvolution and segmentation results on both simulated and real ultrasound data.

L’objectif de cette thèse de doctorat était de développer l’échographie ultrarapide 3D du cœur, plus particulièrement dans le but de caractériser le muscle cardiaque. A cet effet, un échographe ultrarapide assemblé dans notre laboratoire a été utilisé. Dans la première partie de cette thèse, un mode d’imagerie temps-réel a été développé pour faciliter l’imagerie in-vivo en utilisant ce scanner, ainsi que des outils de visualisation 3D et 4D. Par la suite, l’imagerie 3D du tenseur de rétrodiffusion a été développée pour analyser l’orientation des fibres musculaires du cœur de manière non-invasive au cours du cycle cardiaque. Des résultats obtenus sur un volontaire avant et après la contraction cardiaque ont été obtenus. De plus, les effets indésirables du mouvement axial ont été étudiés, et une méthode d’estimation de la vitesse axiale et de correction des aberrations induites a été proposée et appliquée sur l’homme. Cette technique pourrait devenir un outil intéressant de diagnostic et quantification de la désorganisation des fibres musculaires dans le cadre de cardiomyopathies hypertrophiques. De plus, l’échographie ultrarapide 3D a été utilisée pour visualiser la propagation dans les parois du cœur d’ondes de cisaillement générées naturellement au cours du cycle cardiaque, et un algorithme pour déterminer leurs vitesses a été développé. Cette technique a été validée grâce à des simulations numériques puis appliquée sur deux volontaires sains, pendant les phases de contraction et relaxation du myocarde. Etant donné que la vitesse des ondes de cisaillement est directement reliée à la rigidité du cœur, cette méthode pourrait permettre d’estimer la capacité du cœur à de contracter et à se relâcher, qui sont des paramètres important pour son fonctionnement. Enfin, l’activation de la contraction cardiaque de cœurs de rats isolés a été imagée à haute cadence et en 3D dans le but d’analyser la synchronisation de la contraction. Les délais d’activation mécanique ont pu correctement être quantifiés lors du rythme naturel du cœur, de stimulations électriques extérieures ainsi qu’en hypothermie. Ensuite, la faisabilité de la technique en 2D sur des cœurs humains de manière non-invasive a été étudiée et appliquée sur des fœtus et des adultes. Cette technique d’imagerie pourrait aider la caractérisation d’arythmies et améliorer leur traitement. En conclusion, nous avons introduit dans ces travaux de thèse trois nouvelles modalités d’imagerie ultrarapide 3D permettant de quantifier des propriétés structurelles et fonctionnelles du myocarde qui jusqu’ici ne pouvaient pas être imagée en échocardiographie. L’imagerie 3D ultrarapide est une modalité très prometteuse, non ionisante, transportable et qui pourrait améliorer fortement dans le futur le diagnostic et la prise en charge des patients. / The objectives of this PhD thesis were to develop 3D ultrafast ultrasound imaging of the human heart toward the characterization of cardiac tissues. In order to do so, a customized, programmable, ultrafast scanner built in our group was used. In the first part of this thesis, a real-time imaging sequence was developed to facilitate in-vivo imaging using this scanner, as well as dedicated 3D and 4D visualization tools. Then, we developed 3D Backscatter Tensor Imaging (BTI), a technique to visualize the muscular fibres orientation within the heart wall non-invasively during the cardiac cycle. Applications on a healthy volunteer before and after cardiac contraction was shown. Moreover, the undesired effects of axial motion on BTI were studied, and a methodology to estimate motion velocity and reduce the undesired affects was introduced and applied on a healthy volunteer. This technique may become an interesting tool for the diagnosis and quantification of fibres disarrays in hypertrophic cardiomyopathies. Moreover, 3D ultrafast ultrasound was used to image the propagation of naturally generated shear waves in the heart walls, and an algorithm to determine their speed was developed. The technique was validated in silico and the in vivo feasibility was shown on two healthy volunteers, during cardiac contraction and relaxation. As the velocity of shear waves is directly related to the rigidity of the heart, this technique could be a way to assess the ability of the ventricle to contract and relax, which is an important parameter for cardiac function evaluation. Finally, the transient myocardial contraction was imaged in 3D on isolated rat hearts at high framerate in order to analyse the contraction sequence. Mechanical activation delays were successfully quantified during natural rhythm, pacing and hypothermia. Then, the feasibility of the technique in 2D on human hearts non-invasively was investigated. Applications on foetuses and adults hearts were shown. This imaging technique may help the characterization of cardiac arrhythmias and thus improve their treatment. In conclusion, we have introduced in this work three novel 3D ultrafast imaging modalities for the quantification of structural and functional myocardial properties. 3D ultrafast imaging may become an important non-ionizing, transportable diagnostic tool that may improve the patient care at the bed side.

Coherent plane-wave compounding (CPWC) ultrasound is an important modality enabling ultrafast biomedical imaging. To perform CWPC image reconstruction for a stratified (horizontally layered) medium, one needs to know how the speed of sound (SOS) varies with the propagation depth. Incorrect sound speed and layer thickness assumptions can cause focusing errors, degraded spatial resolution and significant geometrical distortions resulting in poor image reconstruction. We aim to determine the speed of sound and thickness values for each horizontal layer to accurately locate the recorded reflection events to their true locations within the medium. Our CPWC image reconstruction process is based on phase-shift migration (PSM) that requires the user to specify the speed of sound and thickness of each layer in advance. Prior to performing phase-shift migration (one layer at a time, starting from the surface), we first estimate the speed of sound values of a given layer using a cosine similarity metric, based on the data obtained by a multi-element transducer array for two different plane-wave emission angles. Then, we use our speed estimate to identify the layer thickness via end-of-layer boundary detection. A low-cost alternative that obtains reconstructed images with fewer phase shifts (i.e., fewer complex multiplications) using a spectral energy threshold is also proposed in this thesis. Our evaluation results, based on the CPWC imaging simulation of a three-layer medium, show that our sound speed and layer thickness estimates are within 4% of their true values (i.e., those used to generate simulated data). We have also confirmed the accuracy of our speed and layer thickness estimation separately, using two experimental datasets representing two special cases. For speed estimation, we used a CPWC imaging dataset for a constant-speed (i.e., single-layer) medium, yielding estimates within 1% of their true values. For layer thickness estimation, we used a monostatic (i.e., single-element) synthetic-aperture (SA) imaging dataset of the three-layer medium, also yielding estimates within 1% of their true values. Our evaluation results for the low-cost alternative showed a 93% reduction in complex multiplications for the three-layer CPWC imaging dataset and 76% for the three-layer monostatic SA imaging dataset, producing images nearly similar to those obtained using the original PSM methods. / Graduate

Purpose: The literature indicates that normal healthy women can increase the strength of the pelvic floor muscles (PFMs) by simultaneously contracting the transverse abdominus (TrA) muscle. This study investigated the relationship of the PFMs and the TrA in women with stress urinary incontinence (SUI). Subjects: 15 women with SUI, verified by scores on the Questionnaire of Urinary Incontinence Diagnosis (QUID), were randomly assigned, blocked by age, into 2 exercise groups. The 6 women in the PFM only group had a mean age of 63 years and the 9 women in the PFM+TrA group had a mean age of 49 years. Method: For 2 weeks, all women were trained by rehabilitative ultrasound imaging (RUSI) to correctly contract the TrA or relax the TrA during a PFM contraction depending upon the group assignment. Each woman was examined using the PERFECT scheme and prescribed a patient-specific PFM exercise program. The exercise protocols required 6 weeks of supervised patient specific exercises. Data collection occurred at 3 time periods (before intervention, after intervention, and follow-up) and included: measurement of TrA thickness changes and PFM lift by RUSI, PFM strength and endurance with pressure perineometry, number of incontinence episodes and pad use from bladder diaries, and quality of life (QOL) measurements using the Incontinence Impact Questionnaire (IIQ) and the Patient Specific Functional Scale (PSFS). Results: MANOVA identified no significant difference after interventions between groups. All women significantly improved in PFM strength (PConclusion: PFM exercises done in isolation or with recruitment of the TrA increased PFM strength, endurance, lift and decreased incontinence in women with SUI. Recommendations: Women with SUI can benefit from physical therapists prescribing PFM exercises in isolation or in combination with TrA contractions.

Plusieurs types cancéreux prolifèrent par leur capacité à exprimer les marqueurs de régulation négative du système immunitaire, tels que les récepteurs PD-L1 et CD80/86 qui inhibent l’activation et la prolifération des lymphocytes T. L’inhibition de ces voies par des anticorps peut ainsi réactiver la réponse immunitaire chez certains patients. D’autres voies de signalisations sont aujourd’hui explorées, incluant la signalisation purinergique (ATP/adénosine) dans la modulation du microenvironnement tumoral. L’adénosine triphosphate extracellulaire (ATPe) est classifiée parmi les molécules de danger extracellulaire et joue un rôle crucial dans l’activation de l’inflammasome NLRP3, un médiateur important de l’activation des réactions pro-inflammatoires. Les ultrasons sont des ondes mécaniques de haute pression capable d’engendrer la cavitation inertielle des microbulles. Il a été démontré que les microbulles (MB) stimulées par ultrasons (US) libèrent de l’ATP dans le muscle squelettique et dans le muscle cardiaque. Nous posons l’hypothèse selon laquelle le traitement US+MB appliqué sur une tumeur de cancer du sein murin (4T1) in vivo peut libérer de l’ATPe localement dans le but d’activer des réactions pro-inflammatoires pour l’immunothérapie du cancer. Dans ce mémoire, nous présentons la quantification du signal d’ATPe d’une culture de cellules 4T1, puis in vivo dans le muscle et dans une tumeur solide sous-cutanée chez la souris à la suite d’une stimulation par US+MB. Nos études démontrent que la thérapie US+MB libère de l’ATP in vitro et in vivo. En comparant le signal découlant de l’injection IM d’ATP avec celui du muscle et des tumeurs post-US+MB, nous pouvons conclure que le traitement US+MB libère une quantité d’ATPe supérieure à 250 µM, ce qui est supérieur à la quantité d’ATPe dans un microenvironnement tumoral et qui persiste pour une durée d’au moins 60 min dans le muscle et 45 min dans la tumeur. La transfection stable de cellules MC38 (carcinome colorectal) à travers le gène PLenti-PmeLUC, codant la synthèse de luciférase sur la face externe de la membrane cellulaire, est explorée afin d’augmenter le rapport signal sur bruit en bioluminescence (annexe A). L’utilisation de POM-1 (inhibiteur pharmacologique de CD39) et l’utilisation de souris knockout du gène CD39 sont discutées pour la suite du projet afin d’inhiber la dégradation de l’ATP extracellulaire (Annexe B). / Several cancer types proliferate due to their ability to express the negative regulatory markers of the immune system (PD-L1 and CD80/86) which inhibit the activation and proliferation of T cells. Inhibition of these pathways by antibodies (anti-PDL-1, anti-PD-1, anti-CTLA-4) can thus reactivate the immune system in some patients. Other signaling pathways are currently being explored, including purinergic signaling (ATP/adenosine) in the modulation of the tumor microenvironment. Extracellular Adenosine triphosphate (eATP) is classified as danger signal plays a critical role in the activation of the NLRP3 inflammasome, an important mediator of the innate immune response. Ultrasound (US) and microbubbles (MB) have been shown to release ATP in skeletal and cardiac muscle. Thus, we hypothesized that US+MB treatment in 4T1 breast cancer cells could locally activate pro-inflammatory responses by releasing an eATP in tumors for cancer immunotherapy. In this thesis, I present the quantification of the eATP signal after US+MB stimulation in vitro (4T1 cell culture), then in muscle and subcutaneous solid tumors in the mouse. Our studies demonstrate that US+MB treatment releases ATP both in vitro and in vivo. In comparison with the IM injection of ATP, we can conclude that US+MB released a large amount of ATP (>250 µM), which is more than the eATP concentration in the untreated tumor microenvironment, and which persisted for at least 60 min in muscle and 45 min in tumor. The stable transfection of MC38 cells (colorectal carcinoma) through the Plenti-PmeLUC gene, encoding the synthesis of luciferase on the external surface of cell membrane is explored to increase the signal to noise ratio in bioluminescence (see appendix A). The use of POM-1 (pharmacological inhibitor of CD39) and CD39 gene knockout mice to inhibit the degradation of eATP signal are discussed for the continuation of the project.

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie. / The venous thromboembolism such as the lower limb deep venous thrombosis (DVT) is a vascular pathology characterized by a blood clot formation that induces partial or total vessel lumen occlusion. Pulmonary embolism is a fatal complication of DVT where the clot detaches from the wall, circulates in the blood flow, and produces an obstruction of pulmonary arterial branches. The combination of clinical prediction rules (signs or symptoms) and blood tests (D-dimer testing) coupled to venous ultrasonography (i.e. compression ultrasonography, color Doppler) allows an accurate diagnosis of first DVT. Nevertheless, such clinical tools present poor results to detect recurrent thrombotic events. Then, in order to guide patients towards optimal therapy, the problem is no more to detect the presence of thrombus, but to evaluate its maturity and its age, which are correlated to their mechanical properties (e.g. elasticity, viscosity). The dynamic elastography (DE) has been recently proposed as a novel non-invasive imaging modality capable to characterize the quantitative mechanical properties of tissues. The DE is based on the analysis of acoustical parameters (i.e. velocity, attenuation, wave pattern) of low frequency (10-7000 Hz) shear waves propagating within the probed medium. Such shear waves generated by external vibration, or remotely using ultrasound beam focalisation (radiation force), were tracked using ultra-fast ultrasound or magnetic resonance imaging. A method based on DE and adapted to mechanical characterization of venous thrombosis may allow the quantification of diseases severity in order to improve the final diagnosis. This thesis presents the works related to the development and complete validation of a novel non-invasive elastography imaging method for the quantitative and reliable estimation of mechanical properties of venous thrombosis. In order to fulfil the main objective, it is first necessary to improve knowledge about mechanical behaviours of blood clot (coagulated blood) subjected to a dynamic solicitation similar to DE. The shear storage (elastic behaviour, G’) and loss (viscous behavior, G’’) moduli of porcine blood clots are measured by DE during the blood coagulation kinetics (at 70 Hz) and after completely coagulation (between 50 Hz and 160 Hz). These results are the first dynamic behaviour measurements of blood clots in such wide frequency range. The subsequent step consists in introducing an innovative reference instrument (« gold standard »), called RheoSpectris, dedicated to measure the hyper-frequency viscoelasticity (between 10 Hz and 1000 Hz) of materials and biomaterials. This tool is indispensable to validate new dynamic elastography techniques. A comparative study between RheoSpectris and classical rheometry is performed to validate the measurements on different materials (silicon, thermoplastic, biomaterials, gel). The excellent agreement between both technologies allows to conclude that RheoSpectris is a reliable instrument for mechanical measurements at high frequencies, which is not always possible with current tools. The theoretical basis of a novel elastographic imaging modality, labelled SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography ») is presented and validated on vascular phantoms. Such approach allows the characterization of mechanical properties of a confined inclusion (e.g. blood clot) from its resonance (displacement amplification) due to the propagation of judiciously oriented shear waves. SWIRE has also the advantage to amplify the vibration amplitude within the heterogeneity to help for its detection and segmentation. Finally, the method DVT-SWIRE ((« Deep venous thrombosis – SWIRE ») is adapted to the quantitative elasticity estimation of venous thrombosis in the context of clinical use. DVT-SWIRE exploits the first resonance frequency measured within the thrombosis during the plane (vibration of rigid plate) or cylindrical (simulating supersonic radiation force generation) shear waves propagation. The technique is applied on DVT phantoms and the results are compared to those given by the RheoSpectris reference instrument. This method is also used successfully in an ex vivo study for the elasticity assessment of explanted porcine thrombosis surgically induced in vivo.

L'imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technologie médicale par cathéter qui produit des images de coupe des vaisseaux sanguins. Elle permet de quantifier et d'étudier la morphologie de plaques d'athérosclérose en plus de visualiser la structure des vaisseaux sanguins (lumière, intima, plaque, média et adventice) en trois dimensions. Depuis quelques années, cette méthode d'imagerie est devenue un outil de choix en recherche aussi bien qu'en clinique pour l'étude de la maladie athérosclérotique. L'imagerie IVUS est par contre affectée par des artéfacts associés aux caractéristiques des capteurs ultrasonores, par la présence de cônes d'ombre causés par les calcifications ou des artères collatérales, par des plaques dont le rendu est hétérogène ou par le chatoiement ultrasonore (speckle) sanguin. L'analyse automatisée de séquences IVUS de grande taille représente donc un défi important. Une méthode de segmentation en trois dimensions (3D) basée sur l'algorithme du fast-marching à interfaces multiples est présentée. La segmentation utilise des attributs des régions et contours des images IVUS. En effet, une nouvelle fonction de vitesse de propagation des interfaces combinant les fonctions de densité de probabilité des tons de gris des composants de la paroi vasculaire et le gradient des intensités est proposée. La segmentation est grandement automatisée puisque la lumière du vaisseau est détectée de façon entièrement automatique. Dans une procédure d'initialisation originale, un minimum d'interactions est nécessaire lorsque les contours initiaux de la paroi externe du vaisseau calculés automatiquement sont proposés à l'utilisateur pour acceptation ou correction sur un nombre limité d'images de coupe longitudinale. La segmentation a été validée à l'aide de séquences IVUS in vivo provenant d'artères fémorales provenant de différents sous-groupes d'acquisitions, c'est-à-dire pré-angioplastie par ballon, post-intervention et à un examen de contrôle 1 an suivant l'intervention. Les résultats ont été comparés avec des contours étalons tracés manuellement par différents experts en analyse d'images IVUS. Les contours de la lumière et de la paroi externe du vaisseau détectés selon la méthode du fast-marching sont en accord avec les tracés manuels des experts puisque les mesures d'aire sont similaires et les différences point-à-point entre les contours sont faibles. De plus, la segmentation par fast-marching 3D s'est effectuée en un temps grandement réduit comparativement à l'analyse manuelle. Il s'agit de la première étude rapportée dans la littérature qui évalue la performance de la segmentation sur différents types d'acquisition IVUS. En conclusion, la segmentation par fast-marching combinant les informations des distributions de tons de gris et du gradient des intensités des images est précise et efficace pour l'analyse de séquences IVUS de grandes tailles. Un outil de segmentation robuste pourrait devenir largement répandu pour la tâche ardue et fastidieuse qu'est l'analyse de ce type d'images. / Intravascular ultrasound (IVUS) is a catheter based medical imaging technique that produces cross-sectional images of blood vessels. These images provide quantitative assessment of the vascular wall, information about the nature of atherosclerotic lesions as well as the plaque shape and size. Over the past few years, this medical imaging modality has become a useful tool in research and clinical applications, particularly in atherosclerotic disease studies. However, IVUS imaging is subject to catheter ring-down artifacts, missing vessel parts due to calcification shadowing or side-branches, heterogeneously looking plaques and ultrasonic speckle from blood. The automated analysis of large IVUS data sets thus represents an important challenge. A three-dimensional segmentation algorithm based on the multiple interface fast-marching method is presented. The segmentation is based on region and contour features of the IVUS images: a new speed fonction for the interface propagation that combines the probability density functions (PDFs) of the vessel wall components and the intensity gradients is proposed. The segmentation is highly automated with the detection of the lumen boundary that is fully automatic. Minimal interactions are necessary with a novel initialization procedure since initial contours of the external vessel wall border are also computed automatically on a limited number of longitudinal images and then proposed to the user for acceptance or correction. The segmentation method was validated with in-vivo IVUS data sets acquired from femoral arteries. This database contained 3 subgroups: pullbacks acquired before balloon angioplasty, after the intervention and at a 1 year follow-up examination. Results were compared with validation contours that were manually traced by different experts in IVUS image analysis. The lumen and external wall boundaries detected with the fast-marching method are in agreement with the experts' manually traced contours with similarly found area measurements and small point-to-point contour differences. In addition, the 3D fast-marching segmentation method dramatically reduced the analysis time compared to manual tracing. Such a valdiation study, with comparison between pre- and post-intervention data, has never been reported in the IVUS segmentation literature. In conclusion, the fast-marching method combining the information on the gray level distributions and intensity gradients of the images is precise and efficient to analyze large IVUS sequences. It is hoped that the fast-marching method will become a widely used tool for the fastidious and difficult task of IVUS image processing.