In unserer Studie kamen die neuen Verfahren qualitative und semiquantitative Elastographie zum Einsatz. Es sollte gezeigt werden, ob sie als Ergänzung zu den herkömmlichen sonographischen Verfahren die Diagnosestellung von Erkrankungen am Hals bei Kindern und Jugendlichen verbessern können. Bei der Untersuchung mittels semiquantitativer Elastographie konnten wir in unserer Studie beim Vergleich Schilddrüsen-Normalbefund und Hashimoto-Thyreoiditis einen signifikanten Unterschied der Scherwellengeschwindigkeiten nachweisen. Es zeigte sich, dass Patienten mit Hashimoto-Thyreoiditis signifikant höhere Scherwellengeschwindigkeiten aufweisen als Patienten mit Normalbefund. Für die anderen untersuchten Schilddrüsenerkrankungen, Struma diffusa und Struma nodosa und für die Erkrankungen der Lymphknoten, benigne Veränderung/Entzündung, maligne Veränderung und Abszess, ließ sich kein signifikanter Unterschied feststellen. Die Sensitivität und Spezifität konnte durch Einsatz des neuen Verfahrens der qualitativen Elastographie nicht gesteigert werden. Während sich bei der Schilddrüsendiagnostik geringere Werte für Sensitivität und Spezifität im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren zeigten, unterschieden sich die Werte bei der Lymphknotenuntersuchung Reader-abhängig. Bei der Schilddrüsenuntersuchung lag die Bildqualität der konventionellen Sonographie über der der qualitativen Elastographie. Dagegen wurde bei der Lymphknotenuntersuchung die Bildqualität der Elastographiebilder höher bewertet als jene der herkömmlichen Verfahren. Insgesamt konnte in unserer Studie gezeigt werden, dass Patienten mit Hashimoto-Thyreoiditits signifikant höhere Scherwellengeschwindigkeiten im Schilddrüsengewebe aufweisen, als bei Normalbefund. In der Diagnostik von Schilddrüsen- und Lymphknotenerkrankungen konnte bezüglich des neuen Verfahrens der qualitativen Elastographie eine Überlegenheit gegenüber der konventionellen Sonographie nicht nachgewiesen werden. Um die Ergebnisse unserer Studie abschließend bewerten zu können, wäre eine Validierung anhand einer größeren Patientengruppe nötig. / In our study we used the new ultrasound procedures qualitative and semiquantitative Elastography. We wanted to show if those new methods could improve conventional ultrasound in the diagnostic of children and adolescents. In the study with semiquantitative Elastography we could show that there was a significant difference in the shear-wave velocity between normal thyroid glands and Hashimoto-Thyroiditis. The velocity of the shear waves was higher in patients with Hashimoto-Thyroiditis compared to those with normal findings. For other disorders such as struma diffusa or nodosa or affection of the lymph nodes (benign or malign diseases or inflammation) no differences in shear-wave velocities were found. Sensitivity or specificity could not be increased by the use of qualitative Elastography. Disorders of the thyroid gland showed only slightly lower values compared to conventional ultrasound, on the other hand disorders of the lymph node were reader-dependent. In the diagnostic of the thyroid gland the quality of the imaging of conventional ultrasound was superior to that of the qualitative Elastography. In the study of the lymph nodes the quality of the imaging was better in the Elastography. Altogether it could be shown that patients with Hashimoto-Thyroiditis had higher shear-wave velocities than patients with normal findings. In the diagnostic of other thyroid or lymph node disorders no superiority of the new procedures could be shown compared to conventional ultrasound. To validate our findings we recommend the implementation of studies with larger patient populations.

Le but de cette étude était d'évaluer la faisabilité et la reproductilité de l'élastographie ShearWave par voie transabdominale d’organes fœtaux et du placenta chez les babouines gestantes.Matériels et méthodes: Les échographies fœtales de tous les babouines gestantes ont été réalisées prospectivement pendant 9 mois dans un seul centre de recherche sur les primates. La visualisation des organes foetaux cibles (foie, poumons proximal et distal, substance blanche du cerveau et matière grise périventriculaire) et du placenta a été initialement effectuée en utilisant l'échographie 2D pour le repérage des organes, puis le mode élastographique a été activé. Pour chaque organe, trois mesures ont été effectuées par deux opérateurs. On a calculé les coefficients de corrélation intra-classe (CCI) intra-observateur et inter-observateur.Résultats: Au cours de la période d'étude (03/2013 - 12/2013), 21 babouines gestantes ont été inclus correspondant à 21 foetus. Une à trois échographies ont été réalisées pour chaque fœtus. Les mesures ont été réalisables par les deux opérateurs dans tous les cas. Le CCI intra-observateur et inter-observateur était de 0,654 - IC 95% (0,606 à 0,699) et 0,645 - IC 95% (0,553 à 0,721), respectivement.Conclusion: L’élastographie ShearWave par voie transabdominale des organes fœtaux et du placenta peut être réalisée chez les babouines gestantes. La reproductibilité intra-observateur et inter-observateur est correcte mais varie selon les organes visés. / The purpose of this study was to assess the feasibility and reproducibility of transabdominal ShearWaveTM elastography of fetal organs and placenta in pregnant baboons.Materials and methods: Fetal ultrasounds of all pregnant baboons in a single primate research center were performed prospectively during 9 months. The visualization of fetal targeted organs (liver, proximal and distal lungs, brain white substance and periventricular gray substance) was initially performed using 2D ultrasound, and then elastography mode was activated. For each organ, three measurements were carried out by two operators. Intra-observer and inter-observer intra-class correlation coefficients (ICC) were calculated.Results: During the study period (03/2013–12/2013), 21 pregnant baboons (21 fetuses) were included. One to three ultrasound scans were performed for each fetus. The measurements were feasible by the two operators in all cases. The intra-observer and inter-observer ICC were 0.654, 95% CI (0.606 to 0.699) and 0.645, 95% CI (0.553 to 0.721) respectively.Conclusion: Transabdominal ShearWaveTM Elastography of fetal organs can be achieved in pregnant baboons. The intra-observer and inter-observer reproducibility is correct but vary according to the targeted organs.ves: The purpose of this study was to assess the feasibility and reproducibility of transabdominal ShearWaveTM elastography of fetal organs and placenta in pregnant baboons.

Das terminale Nierenversagen ist infolge von chronischen Erkrankungen wie beispielsweise Diabetes mellitus oder Glomerulonephritiden von besonderer klinischer Bedeutung. Die Nierentransplantation stellt für diese Patienten die einzige kurative Therapieoption dar, die zu einer verbesserten Lebensqualität und erhöhten Lebenserwartung führt. Nichtsdestotrotz besteht die Gefahr eines Transplantatverlustes. Organabstoßung oder chronische Transplantatschädigungen können zu chronischer Transplantatnephropathie mit interstitieller Fibrose und Tubulusatrophie führen. Diese werden im aktuellen klinischen Geschehen indirekt anhand von paraklinischen Parametern und/oder direkt mit Hilfe der invasiven Nierenbiospie diagnostiziert. Interessanterweise bietet die neue Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI)-Technologie in Ultraschall-Geräten die Möglichkeit einer nicht-invasiven Fibrosemessung. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit Ultraschall-induzierter Scherwellen kann dabei Indikator für Fibrose im untersuchten Gewebe sein. Dieses Verfahren findet bereits bei der Beurteilung chronischer Lebererkrankungen Verwendung und stellt für nierentransplantierte Patienten ein vielversprechendes, jedoch bisher unzureichend evaluiertes Verfahren dar. Insgesamt wurden 33 nierentransplantierte Patienten prospektiv bioptiert und histologisch anhand der internationalen Banff-Klassifikation untersucht. Zudem wurden die Patienten entsprechend eines zuvor definierten Messprotokolls mit der ARFI-Elastographie systematisch untersucht. Die erhobenen Messwerte wurden mit den histologischen Veränderungen im Transplantat statistisch analysiert und mit den paraklinischen Parametern der transplantierten Patienten korreliert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, chronische Transplantatnephropathie frühzeitig mittels ARFI-Technologie nicht-invasiv und objektiv zu diagnostizieren.

Mon travail de thèse se place dans le cadre du projet ANR TUCCIRM de développement d'un système de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) dédié au cerveau implantable dans un IRM clinique 1,5 T. Les développements IRM ont été l'objet de mon travail. Dans un premier temps, l'IRM a été utilisée pour suivre l'évolution en température des tissus en cours de traitement. Pour cela, nous avons tout d'abord réalisé une étude d'optimisation et de comparaison de séquences de thermométrie basées sur le principe du décalage chimique (PRFS). Puis, nous avons optimisé le rapport signal sur bruit pour améliorer la qualité des images ainsi que la précision en température. Ces développements ont été appliqués au cours de tests HIFU suivi par IRM de têtes de cadavres humains.Dans un deuxième temps, l'IRM a été utilisée pour caractériser la viscoélasticité des tissus cérébraux par la technique d'élastograhie par résonance magnétique. Ces propriétés changeant avec la température, cette méthode permettrait de suivre l'état des tissus pendant le traitement HIFU pour en déterminer l'effet thermique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau concept de générateur d'onde, testé ensuite sur six rats in vivo.

Morbidität und Mortalität der Lebererkrankung im Rahmen der Cystischen Fiborse (Cystic fibrosis liver disease, CFLD) sind vornehmlich von Ausmaß und Progredienz der Leberfibrose abhängig. Aufgrund der fehlenden Genauigkeit der bisherigen diagnostischen Verfahren werden viele der an CF erkrankten Menschen erst in fortgeschrittenen Stadien diagnostiziert. Schwere Komplikationen einer Leberzirrhose treten häufig bereits im Kindesalter auf. Die Quantitative Sonoelastographie, hier die Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI)-Elastographie, ist ein vielversprechendes, nicht-invasives und strahlenfreies Verfahren zur Messung der Gewebesteifigkeit. Anhand dieser retrospektiven, monozentrischen Studie soll die ARFI-Elastographie im Hinblick auf den klinischen Einsatz bei der CFLD-Diagnostik untersucht werden. Es wurde eruiert, ob sich mittels ARFI-Elastographie Rückschlüsse auf eine CFLD und deren Schweregrade ziehen lassen. Hierfür wurden die ARFI-Messungen verschiedener Lebersegmente von 62 an CF erkrankten und 19 lebergesunden Kindern und Jugendlichen verglichen. Zudem erfolgte die Korrelation der Ergebnisse mit zwei etablierten klinischen Leberfibrose-Scores (APRI, Williams-Score). Im Patientenkollektiv konnten tendenziell erhöhte Scherwellengeschwindigkeiten, entsprechend einer fibrotischen Aktivität, gemessen werden. Die transkostale Messposition in Segment VII/VIII (TC VII/VIII) erwies sich als zuverlässigste Position zur Differenzierung zwischen einer CF-Hepatopathie und einem gesunden Leberparenchym. Hingegen war das Errechnen von Cut-off Werten zur Graduierung von Fibrosestadien nicht möglich. Auch war keine Korrelation zu Leberfiborsescores feststellbar. Insgesamt zeigt sich, dass die Diagnosestellung einer CFLD aktuell nur in Kombination mit bisherigen Messmethoden wie der klinischen Untersuchung, der Laboranalytik und der Sonographie möglich ist. Die Interpretation der ARFI-cut-off Werte bleibt aufgrund mangelnder Sensitivität und Spezifität und vor dem Hintergrund der CF-typischen heterogenen Leberpathologie erschwert. Die ARFI-Elastographie kann als zusätzlicher Baustein in der Diagnostik der CFLD, bei unklaren Befundkonstellationen oder zum Therapie-Monitoring herangezogen werden. Um einen klaren klinischen Einsatz in der Routinediagnostik zu definieren bedarf es weiterer großer, multizentrischer und prospektiver Studien. / The liver-associated morbidity and mortality of the patients with cystic fibrosis (CF) depends on the progression of liver fibrosis. The lack of sensitive diagnostics in the early stages of fibrosis is a key reason for delayed diagnosis, often when complications from liver cirrhosis have already developed in childhood. Quantitative ultrasound (US) imaging, such as Acoustic Radiation Force Imaging (ARFI)-Elastography, is a modern and non-invasive technique for the measurement of tissue stiffness. ARFI-Elastography could improve the detection of Liver Disease (LD) in CF over today‘s routine diagnostics. The aim of this single centre, retrospective study was to analyse the diagnostic performance and the clinical use of the ARFI-method with regard to the early detection of parenchymal changes in Cystic Fibrosis Liver Disease (CFLD). ARFI-data of 62 patients with CF were compared to 19 healthy controls. Results have been related to common and previously established scores (APRI, Williams-Score) for fibrosis in CF. ARFI measurements were higher in the patient group. In particular, the transcostal imaging of segments VII/VIII (TC CII/VIII) of the right liver lobe showed a statistically significant difference between patients with CF and healthy controls. However, because of the wide range of the measurements it was not possible to establish cutoff-values to differentiate stages of liver stiffness and there was no correlation to clinical scores of fibrosis. Due to the lack of sensitivity and specificity of the ARFI cutoff-value and the knowledge of the heterogeneous pathology of cirrhosis in CF, interpretation of ARFI measurements remains challenging. On the basis of our findings, we conclude that ARFI may have a useful role in combination with routine assessments including physical examination, screening laboratory values and US-imaging, to detect, diagnose and monitor CFLD. Larger prospective validation studies are required to establish how ARFI can best be incorporated into routine clinical practice.

Mon travail de thèse se place dans le cadre du projet ANR TUCCIRM de développement d’un système de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) dédié au cerveau implantable dans un IRM clinique 1,5 T. Les développements IRM ont été l’objet de mon travail. Dans un premier temps, l’IRM a été utilisée pour suivre l’évolution en température des tissus en cours de traitement. Pour cela, nous avons tout d’abord réalisé une étude d’optimisation et de comparaison de séquences de thermométrie basées sur le principe du décalage chimique (PRFS). Puis, nous avons optimisé le rapport signal sur bruit pour améliorer la qualité des images ainsi que la précision en température. Ces développements ont été appliqués au cours de tests HIFU suivi par IRM de têtes de cadavres humains.Dans un deuxième temps, l’IRM a été utilisée pour caractériser la viscoélasticité des tissus cérébraux par la technique d’élastograhie par résonance magnétique. Ces propriétés changeant avec la température, cette méthode permettrait de suivre l’état des tissus pendant le traitement HIFU pour en déterminer l’effet thermique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau concept de générateur d’onde, testé ensuite sur six rats in vivo. / My Ph.D. work is a part of the ANR TUCCIRM project, which consist in developing a treatment system dedicated to the brain using High Intensity Focalized Ultrasound (HIFU) usable with clinical 1.5T MRI. My work was mainly focus to MRI development.During the first part of my work, we used the MRI to observe the evolution of the temperature of tissue inside the brain during the ultrasound treatment. Firstly, based on the chemical shift principle, we perform an optimization study and thermometric sequence comparison. Then an optimization of the signal-to-noise ratio has been realized to improve the image quality and then the temperature measurement precision. This development has been used during HIFU test on human head corpse following the evolution of the temperature with MRI. In a second part, MRI was used to characterize the viscoelasticity of brain tissue using elastography by magnetic resonances. These properties are evolving with the temperature, so this method should allow following tissue state during HIFU treatment to determine temperature effect on brain tissue. For that purposes we develop a new concept of wave generator, witch has been tested on 6 rats in vivo.

L'objectif de ce travail est de réaliser un outil de mesure de l'élasticité des milieux biologiques. L'idée est d'employer les ultrasons pour détecter des ondes de cisaillement générées par un « coup » acoustique de basse fréquence (10-500 Hz) au moyen d'un piston. Cette onde contient des informations sur la nature viscoélastique du solide dans lequel elle se propage. Si les ultrasons dans les milieux biologiques sont bien maîtrisés, ce n'est pas le cas des ondes de cisaillements. Par conséquent la réalisation de cet outil nécessite une meilleure compréhension des ondes de basse fréquence. Dans ce manuscrit, nous montrons que les mesures effectuées par les méthodes ultrasonores actuelles fondées sur le même principe (sonoélasticité), subissent des effets de réflexions d'ondes aux frontières, de diffraction et d'interférence avec une onde longitudinale de basse fréquence. Afin de nous affranchir de ces phénomènes, nous avons élaboré une méthode appelée « élastographie impulsionnelle ». Appliquée à un fantôme d'agar-gélatine, à un muscle et à un produit laitier, elle permet de détecter des ondes de cisaillement se propageant aux vitesses respectives de 2.7, 5.3 et 0.5 m.s-1. L'élasticité de cisaillement et la viscosité de cisaillement sont déduites des mesures de vitesse et d'atténuation de l'onde. Nous montrons enfin que les ondes de basse fréquence sont détectées en champ proche ou en champ intermédiaire. Les diagrammes de directivité de Miller et Pursey en champ lointain sont moins aptes à rendre compte du champ de déplacement que les fonctions de Green dans les solides. L'ensemble des résultats contenus dans ce mémoire autorise à penser que l'élastographie impulsionnelle puissent devenir un outil utile en rhéologie et en médecine.

Aucun résumé disponible. / No summary available.

L’élastographie est une modalité d'imagerie médicale émergente qui permet de mesurer les propriétés mécaniques des tissus moux humains. Ces mesures peuvent servir de biomarqueurs pour l'amélioration de la prise en charge des maladies, du diagnostic précoce et de l'évaluation de la sévérité, au suivi de la réponse au traitement. Parmi les différentes approches de l’élastographie, l'élastographie par Résonance Magnétique (ERM) et l’élastographie ultrasonore par ondes de cisaillement (Supersonic Shear Imaging (SSI)) suscitent des intérêts particuliers. Ces deux modalités ont été largement étudiées pour des applications cliniques multiples. Toutefois, chaque modalité repose sur des conditions d'acquisition et de reconstruction différentes et caractérisées par leur propres limites qui peuvent induire des biais de mesure intra-et inter-modalité et donc entraver l'interchangeabilité des deux modalités pour des applications cliniques. Dans un premier temps, ma thèse a porté sur l'identification des biais de mesure entre ERM et SSI. Grâce à une comparaison méthodologique approfondie des deux modalités, nous avons identifié les différentes caractéristiques de fréquence des ondes de cisaillement générées par les deux modalités et les contraintes spécifiques de reconstruction, en particulier en ERM, comme les principales sources de biais de mesure entre les deux modalités. Dans un deuxième temps, une étude de simulation a étéeffectuée afin de caractériser l'influence des conditions d'acquisition et de reconstruction sur l'exactitude et la précision des mesures d’ERM. Nous avons établi des abaci in silico pour identifier le nombre de voxels par longueur d'onde idéal (rapport λ/a) pour obtenir des mesures ERM exactes et précises. En outre, nous avons montré que le rééchantillonnage pouvait s’avérer efficace afin de répondre aux critères de λ/a favorable lorsque le nombre de voxels par longueur d'onde initial était mal défini. Les résultats finaux, qui sont généralement calculés à partir des trois directions d'encodage, peuvent être améliorés grâce à des stratégies de pondération appropriées qui reposent sur le champ rotationnel du déplacement de l'onde de cisaillement. Pour la modalité SSI, nous avons utilisé le paramètre de qualité fourni par le fabricant afin d’éliminer raisonnablement des résultats peu fiables et améliorer encore la qualité des mesures. Ensuite nous avons intégré les stratégies d'optimisation proposées dans chaque modalité pour effectuer des études de comparaison expérimentales impartiales entre ces deux modalités. Des études in vitro ont été effectuées sur des fantômes commerciaux calibrés et aussi des fantômes à la base de l'alcool polyvinylique. Des résultats expérimentaux confirment bien ceux de la simulation. Des mesures SSI et ERM sont en bon accord quand des biais reliés à la théorie, l'expérimentation et la reconstruction sont minimisés. Des études in vivo ont été ensuite effectuées sur le foie de deux volontaires sains. On a constaté que lorsque le foie est quasi-élastique, des mesures SSI et ERM avec la qualité optimisée concordent bien les uns et les autres, ils sont donc interchangeables. Dans le cas du tissu hépatique viscoélastique, des mesures SSI et ERM dépendent de la fréquence. Dans ce contexte, des mesures ERM et SSI pour la même fréquence spécifique sont nécessaires pour réaliser une comparaison impartiale entre des deux modalités. / Elastography is an emerging medical imaging modality which permits to measure the mechanical properties of human soft tissue. The measured mechanical properties can serve as potential biomarkers for improving the management of diseases, from early diagnosis, to severity evaluation and therapy response monitoring. Among different approaches, Magnetic Resonance Elastography (MRE) and Supersonic Shear Imaging (SSI) have shown particular interests. The two modalities have been widely investigated for multiple clinical applications. However, each modality is challenged by specific acquisition and reconstruction conditions which may induce intra- and inter-modality measurement biases and hence impede the interchangeability of the two modalities. The first part of my thesis focused on identifying the measurement biases between MRE and SSI. Through a thorough methodological comparison study, we recognized different frequency characteristics of generated shear waves for the two modalities and modality specific reconstruction validity issues as the main sources for the measurement biases between the two modalities. Then through a dedicated simulation study, we established an in silico abaci to identify the favorable range of number of voxels per wavelength which leads to accurate and precise MRE. Moreover, resampling was proven effective to regulate poorly defined number of voxels per wavelength to the favorable range. The overall outcome, which is usually computed from the three acquired motionencoded directions, may further be improved by appropriate weighting strategies that are based on curl of shear displacement field. For SSI, we referred to the quality parameter provided by the manufacturer to reasonably eliminate unreliable results so as to further improve the measurement quality. After establishing the potential measurement biases between MRE and SSI, we incorporated the proposed quality optimization strategies into both modalities in order to perform unbiased experimental comparison studies between the two modalities. First, in vitro studies were carried out on commercial calibrated phantoms as well as home-made polyvinyl alcohol phantoms. Experimental results corroborate well the simulation findings. MRE and SSI measurements agree well witheach other when theory, experiment, and reconstruction biases are minimized. In vivo studies were then performed on the livers of two healthy volunteers. We found that when the liver is quasi-elastic, the quality-guided MRE and SSI measurements agree well with each other and hence are interchangeable. In case of viscoelastic liver tissue, both MRE and SSI measurements are frequency dependent. Thus frequency-specific measurements are essential for cross-validating the measurements of these two modalities.

Die vorliegende medizinische Dissertation untersucht nicht-invasive bildgebende Verfahren wie die konventionelle Sonographie, die Acoustic radiation force impulse (ARFI)-Elastographie sowie die Transiente Elastographie (TE) zur Detektion von Komplikationen in der Frühphase nach allogener Stammzelltransplantation. Dem kurativen Therapieansatz der Stammzelltransplantation steht ein hohes Komplikationspotential gegenüber. Besonders hepatobiliär treten Graft-versus-host Erkrankungen (GvHD) sowie Gefäßkomplikationen (VOD) auf. Der bisherige diagnostische Goldstandard, die Leberbiopsie, ist als invasives Verfahren mit einer hohen Intra- und Inter-Untersucher-Variabilität sowie der geringen Repräsentativität als Screeningmethode ungeeignet. Die Elastographieverfahren ARFI und TE als nicht-invasive Alternativen ermitteln die Lebergewebesteifigkeit als Surrogatparameter fibrotischer Veränderungen und wurden bereits in zahlreichen Studien als geeignete Diagnoseverfahren für Leberfibrose und -zirrhose unterschiedlicher Ätiologie definiert. Ziel dieser prospektiven Pilotstudie war die Evaluation der genannten Methoden zur Detektion von Frühkomplikationen nach allogener Stammzelltransplantation. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass sowohl die konventionelle Sonographie als auch die Transiente Elastographie pathologische Organveränderungen vor allem des hepatobiliären Systems detektieren können. Allerdings erscheinen diese Veränderungen unspezifisch. Es bestehen keine signifikanten Unterschiede zwischen Patienten mit und ohne Komplikationen. Anders bei der ARFI-Elastographie. Hier zeigten die Messwerte im linken Leberlappen signifikant höhere Werte bei Patienten mit Komplikationen. Zusammenfassend ist die ARFI-Elastographie zur Prädiktion möglicher Komplikationen nach allogener Stammzelltransplantation geeignet, sollte allerdings mit anderen diagnostischen Verfahren ergänzt werden.