Magnetic Resonance Electrical Impedance Mammography (MREIM) is a new imaging technique under development by Wollin Ventures, Inc. in conjunction with the H. Lee Moffitt Cancer Center & Research Institute. MREIM addresses the problem of low specificity of magnetic resonance mammography and high false-positive rates, which lead to unnecessary biopsies. Because cancerous tissue has a higher electrical conductivity than benign tissue, it may serve as a biomarker for differentiation between malignant and benign lesions. The MREIM principle is based on measuring both magnetic resonance and electric properties of the breast by adding a quasi-steady-state electric field to the standard magnetic resonance breast image acquisition. This applied electric field produces a current density that creates an additional magnetic field that in turn alters the native magnetic resonance signal in areas of higher electrical conductivity, corresponding to cancerous tissue. This work comprises MREIM theory, computer simulations, and experimental developments. First, a general overview and background review of tissue modeling and electrical-impedance imaging techniques are presented. The experimental part of this work provides a description of the MREIM apparatus and the imaging results of a custom-made breast phantom. This phantom was designed and developed to mimic the magnetic resonance and electrical properties of the breast. The theoretical part of this work provides an extension to the initial MREIM theoretical developments to further understand the MREIM effects. MREIM computer simulations were developed for both idealized and realistic tumor models. A method of numerical calculation of electric potential and induced magnetic field distribution in objects with irregular boundaries and anisotropic conductivity was developed based on the Finite Difference Method. Experimental findings were replicated with simulations. MREIM effects were analyzed with contrast diagrams to show the theoretical perceptibility as a function of the acquisition parameters. An important goal was to reduce the applied current. A new protocol for an MREIM sequence is suggested. This protocol defines parameters for the applied current synchronized to a specific magnetic resonance imaging sequence. A simulation utilizing this protocol showed that the MREIM effect is detectable for a 3-mm-diameter tumor with a current density of 0.5 A/m², which is within acceptable limits.

Ce mémoire présente l’étude de la faisabilité de la planification de traitements pour la curiethérapie interstitielle du sein en utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) seule au lieu de l’imagerie par tomodensitométrie (CT). L'imagerie CT étant la référence, la mesure des différences observables sur la distribution de doses provenant des deux types d’imagerie a été effectuée. Des fantômes de seins ont été fabriqués et utilisés, ainsi que l’imagerie de patients. La taille des fantômes en fonction du positionnement dans l’appareil d’IRM et la longueur reconstruite des cathéters ont été analysées. Les différences dans les distributions de doses de fantômes et de patients ont été calculées en s’assurant que la reconstruction des cathéters provenant des images CT et IRM est la seule variable. La différence dans les critères de doses à respecter est plus grande lorsque la taille du fantôme et/ou un déplacement latéral dans l’IRM sont plus grands. La longueur reconstruite des cathéters est comparable entre les deux techniques d’imagerie. Pour le petit fantôme des différences <2% ont été observées pour tous les critères de dose. Pour le grand fantôme et pour les patients, une valeur maximale de 5% est observée pour les critères sur la cible, mais peut atteindre 19% pour le critère Externe V150%/V100% pour le grand fantôme et 33% pour les patients. Par contre, le seuil clinique de ce critére est toujours respecté. Ceci nous indique que pour la plupart des patients, la zone à traiter serait bien couverte en utilisant les images IRM uniquement pour planifier. / This dissertation presents the study of the feasibility of planning for interstitial breast brachytherapy treatments using only magnetic resonance imaging (MRI) instead of computed tomography (CT) imaging. CT imaging being the reference, the measurement of observable differences on dose distributions from the two types of imaging has been done. Breast phantoms has been fabricated and used, as imaging of patients. Size of the phantoms according to the positioning inside the MRI device and catheters reconstructed length has been analysed. Differences in dose distributions of phantoms and patients have been calculated by ensuring that catheters reconstruction from CT and MRI images is the only variable. The difference in respecting the dose’s criteria is bigger when the size and/or the lateral shift into the MRI are bigger. The catheters’ reconstructed length is similar between the two imaging techniques. For the small phantom, differences <2% has been observed for all dose criteria. For the large phantom and for patients, a maximum value of 5% is observed for targets criteria, but can reach 19% for External V150/V100 criterion for the large phantom and 33% for patients. However, clinical threshold for this criterion is still respected. This tells us that for most patients, the treatment region would be covered by using MRI images only for planning.

Objectifs : L’objectif a été de d’optimiser les protocoles d’acquisition des examens d’angiomammographie double-énergie, d’étudier la faisabilité de l’angiotomosynthèse pour la détection et la caractérisation des tumeurs mammaires, et d’étudier la faisabilité des biopsies stéréotaxiques sous guidage de l’angiomammographie. Méthodes : Une étude d’optimisation des paramètres d’acquisition de l’angiomammographie a été réalisée dans 4 situations cliniques pour lesquelles la qualité diagnostique requise des images de basse énergie et la dose totale délivrée à la patiente ne sont pas identiques. L’optimisation des paramètres d'exposition (anode/filtre, kVp, mAs) des images de basse énergie (BE) et haute énergie (HE) a été réalisée à partir d’une modélisation théorique de la chaîne d’acquisition. Une validation a été effectuée par mesures expérimentales sur des images de fantôme d’inserts d’iode. Nous avons ensuite étudié la technique d’angiotomosynthèse mammaire basée sur une approche double-énergie. Un nouveau fantôme anthropomorphique numérique du sein et de ses lésions, basé sur l’utilisation de primitives géométriques complexes et d’une technique de maillage surfacique, a été amélioré et utilisé pour évaluer les performances de l’angiomammographie optimisée, puis de l’angiotomosynthèse en comparaison à l’angiomammographie. Enfin, nous avons proposé un scénario pour la réalisation d’un examen de stéréotaxie avec injection d’un agent de contraste iodé et étudié la faisabilité de recombinaison d’image de haute et de basse énergie acquises à des temps différents de l’injection.Résultats et conclusion : Les optima des paramètres d’exposition trouvés par simulation avec les valeurs de SDNRpixel et SDNR2pixel /Dosetotale qui en résultent, ont été confirmés expérimentalement. Les valeurs de SDNR par pixel dans les images recombinées sont augmentées pour toutes les indications cliniques en comparaison à celle obtenues avec SenoBright ® (produit commercial de référence). L'impact sur la qualité de l’image de BE, évalué par des expérimentations sur fantôme CDMAM, a montré que les paramètres optimisés fournissent une détection similaire ou acceptable par rapport à la mammographie standard, à l’exception de l'indication de dépistage lorsque l’on considère les objets de très petits diamètres.L’étude de lecture humaine d’images simulées d’un fantôme anthropomorphique du sein incluant le rehaussement glandulaire physiologique et différents modèle tumoraux n’a pas montré d’augmentation significative de sensibilité de détection des acquisition 3D d’angiotomosynthèse comparativement aux acquisitions 2D d’angiomammographie. Les deux paramètres qui influençaient le plus la sensibilité était la concentration en iode des tumeurs et la densité du sein. L’angiomammographie était par ailleurs significativement plus spécifique que l’angiotomosynthèse. Une perspective d’amélioration pour l’angiotomosynthèse pourrait donc être l’utilisation d’algorithmes de reconstruction 3D spécifiques de cette modalité qui minimiseraient le bruit de reconstruction. Le scénario proposé pour la réalisation de biopsies sous guidage de l’angiomammographie, a mis en évidence deux contraintes techniques que sont l’échauffement du tube à rayons X et le surcroit de dose dû à la répétition des paires d’acquisitions en haute et basse énergies. Une des solutions envisagées a été de limiter le nombre d’acquisitions de BE. Notre étude a montré que la recombinaison d’une image HE avec une image BE acquise antérieurement modifiait le SDNR des lésions simulées comparativement à une recombinaison appariée d’images BE et HE acquises au même temps de l’injection. Ces modifications dépendaient du temps du pic de rehaussement maximal et du washout de la lésion. / Objectives: The purpose was to optimize the exposure parameters of CESM examinations, to assess the feasibility of contrast-enhanced DBT (CE-DBT) for the detection and the characterization of breast tumors, and to assess CESM-guided stereotactic biopsies. Methods: At first, we optimized the CESM exposure parameters in four different clinical applications for which different levels of average glandular dose and different low energy image quality are required. The optimization of exposure parameters (anode/filter, kVp, mAs) for low energy (LE) and high energy (HE) images at different levels of average glandular dose and different ratios between LE and total doses has been conducted using a simulator of the x-ray mammographic image chain. An experimental validation was then performed through phantom experiments. Secondly, we assessed the potential of CE-DBT based on a dual-energy approach. A new mesh-based anthropomorphic breast phantom was improved and used to evaluate the performance of CESM and then to compare CESM and CE-DBT. Finally, we evaluated the technical feasibility of CESM-guided biopsy. After identifying some technical constraints, we assessed the performance of the recombination of LE and HE images acquired at different times after injection, using simulated images of a geometric phantom with uniform texture, and simulated images of an anthropomorphic textured phantom with and without motion artifacts.Results and conclusion : For the four different clinical indications, optima found by simulation, with resulting SDNRpixel and SDNR2pixel/Dosetotal, were confirmed through real acquisition of images on phantoms. Our results indicate that the SDNR per pixel in recombined CESM images increased in all of the four clinical indications compared to recombined images obtained using SenoBright ® (commercial product used as reference). This result suggests the possibility to detect more subtle contrast enhancements and to decrease the number of false negatives found in clinical CESM examinations. The impact of a new dose allocation between LE and HE exposures was also evaluated on LE image quality. Results from CDMAM phantom experiments indicate that optimized parameters provide similar or acceptable detection compared to standard mammography, except for screening indication when considering the very small diameter objects.The human observer study on anthropomorphic phantom images, taking into account tumor and breast parenchyma enhancement, revealed that detection and characterization sensitivity of iodine-enhanced lesions are not statistically different between 2D CESM and 3D CE-DBT. The most influencing parameters for the detectability and the lesion size assessment were the lesion iodine concentration and the breast density. CESM was significantly more specific than CE-DBT. One of the assumptions to explain this result is the presence of higher noise in CE-DBT than in CESM images. A future improvement for CE-DBT could therefore be the design of a specific reconstruction algorithm minimizing reconstructed noise.With respect to CESM-guided biopsy the proposed scenario pointed out two major constraints, one related to the thermal load of the x-ray tube, the second related to the increased dose due to the repetition of LE and HE images. One proposed solution was to limit the number of LE exposures, requiring the possibility to recombined LE and HE images acquired at different injection time points. Our study showed that the recombination of a HE image with a LE image acquired earlier leads to SDNR changes compared to paired recombination. These changes are function of the enhancement time to peak and the washout of the lesion, and had a limited impact on the lesion detectability.