Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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L’embolisation occupe une part croissante de l’activité de la radiologie interventionnelle endovasculaire. Les agents d’embolisation sont nombreux, présentent des propriétés variables et permettent d’obtenir une hémostase, un hémodétournement ou réaliser le vecteur d’une thérapie ciblée. Notre travail se décompose en trois parties visant successivement à un état de l'art des agents d’embolisation disponibles, puis des travaux originaux de laboratoire, et enfin l’analyse rétrospective de diverses études radio-cliniques constituées dans notre centre. La première partie basée sur une analyse de la littérature constitue un chapitre introductif dans lequel sont évalués les caractéristiques techniques, les avantages et limites des agents d’embolisation utilisés en pratique clinique courante. Le deuxième volet repose sur des travaux fondamentaux sur l’animal réalisés dans le laboratoire de cathétérisme expérimental de l’ISIT (Professeurs Boyer et Lusson) à la faculté de Médecine de Clermont-Ferrand, et dans le laboratoire des biomatériaux endovasculaires de l’université de Montréal (Professeur Lerouge et Soulez). Dans une première série d’expérimentation nous avons participé à Montréal au développement d’un agent d’embolisation qui combine les avantages d’un gel (solidification au contact du sang) et d’un sclérosant (destruction des cellules endothéliales). Le gel ainsi mis au point a fait l’objet d’un dépôt de brevet. Il pourrait permettre de prévenir et/ou traiter les fuites observées dans le traitement par endoprothèse des anévrysmes de l’aorte. Dans un deuxième protocole expérimental nous avons analysé à Clermont-Ferrand l’interaction entre agent d’embolisation et chimiothérapie en étudiant les modifications pharmacocinétiques observées en fonction de la voie d’administration et de l’association à une embolisation partielle ou complète de l’artère hépatique sur un modèle porcin. Le troisième volet repose sur des travaux cliniques originaux analysant rétrospectivement divers points sensibles en embolisation parenchymateuse. Cette partie s’appuie sur des collaborations multidisciplinaires fortes en pathologies gynécologiques, urologiques, hépatiques et spléniques. Il faut signaler enfin, la parution prévue pour le premier trimestre 2012 de l'ouvrage "Embolisation" (350 pages, Springer Ed., P. Chabrot et L. Boyer). Une version anglaise de ce livre suivra courant 2012. / Embolization is an increasing part of the activity of endovascular interventional radiology. Embolization agents are numerous, have variable properties and make it possible to obtain a hemostasis, a hemodiversion, or achieve the vector of a targeted therapy. Our work is divided into three parts, successively aimed at a state of the art of available embolization agents, then original laboratory work, and finally the retrospective analysis of various radio-clinical studies made in our research center. The first part based on an analysis of the literature constitutes an introductory chapter in which the technical characteristics, the advantages and the limits of the embolization agents used in current clinical practice are assessed. The second part is based on fundamental animal studies carried out in the experimental catheterization laboratory of ISIT (Professors Boyer and Lusson) at the Faculty of Medicine of Clermont-Ferrand, and in the laboratory of endovascular biomaterials of the university. of Montreal (Professor Lerouge and Soulez). In a first series of experiments, in Montreal, we participated in the development of an embolization agent that combines the advantages of a gel (solidification in contact with blood) and a sclerosant (destruction of endothelial cells). The gel thus developed has been the subject of a patent application. It may be able to prevent and / or treat the leaks observed in stent-graft treatment of aortic aneurysms. In a second experimental protocol, in Clermont-Ferrand, we analyzed the interaction between embolization agent and chemotherapy by studying the pharmacokinetic changes observed according to the route of administration and the association with partial or complete embolization of the hepatic artery on a porcine model. The third part is based on original clinical work analyzing retrospectively various sensitive points in parenchymal embolization. This part is based on strong multidisciplinary collaborations in gynecological, urological, hepatic and splenic pathologies. Finally, it is necessary to announce the publication scheduled for the first quarter of 2012 of the book "Embolisation" (350 pages, Springer Ed., P. Chabrot and L. Boyer). An English version of this book will follow in the course of 2012.

Le traitement endovasculaire (EVAR) de l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) vise à mettre en place une endoprothèse (EP) au sein du sac anévrismal afin d’éviter sa rupture. Si cette chirurgie a l’avantage d’être mini-invasive et de pouvoir être utilisée pour des patients non éligibles à la chirurgie ouverte classique, il existe cependant plusieurs événements indésirables, pouvant apparaître au cours du suivi du patient. Mieux connaître le comportement mécanique des EPs permettrait ainsi d’améliorer leur conception et leur durabilité, principaux verrous au recours systématique à l’EVAR. Ainsi, une méthode de modélisation numérique multi matériaux des EPs a été développée. Les modèles numériques d’EPs ont été validés à partir d’une analyse d’images 3D obtenues par tomographie aux rayons X, montrant ainsi leur fiabilité. Les performances mécaniques de plusieurs EPs disponibles sur le marché ont ensuite été évaluées sur différents essais de plus en plus proches des conditions in vivo subies par ces dispositifs. Les EPs ont ainsi été soumises à des essais de flexion pure puis à des essais combinant flexion et pressurisation. La flexibilité des EPs et la réponse mécanique de leurs composants ont été comparées. Il a été montré que l’architecture de l’EP avait une influence significative sur ses performances mécaniques. Enfin, le déploiement des EPs au sein de deux modèles d’anévrismes a été simulé, permettant de mettre en évidence d’autres complications, comme les endofuites de type I. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de nombreuses perspectives, et notamment au développement d’un logiciel d’aide à la décision à destination des chirurgiens. / The aim of the endovascular repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysm (AAA) is to set up a stent-graft (SG) within the aneurysm in order to avoid its rupture. This surgery is mini-invasive and can be used for patients who are ineligible for open surgery. However, complications mainly due to mechanical issues can occur during patient follow-up, such as endoleak or stenosis for example. A better knowledge of SG mechanical behaviour could be useful to improve SG design and durability which still prevents surgeons to use this treatment systematically. A new methodology to model multi-material SGs has been developed. Special attention has been paid to the mechanical characterization of stent and graft materials. SG numerical models have been qualitatively and quantitatively validated on a bending test by the means of tomographic acquisitions and image processing, showing their reliability. Mechanical performances of several marketed SGs have been assessed through various tests increasingly closer to the in vivo conditions undergone by the devices. SGs have been subjected to pure bending tests, then to tests combining bending and pressurisation. SG flexibility and components mechanical response have been compared and SGs have been ranked according to their performances. It has been shown that SG architecture has a significant influence on SG mechanical performances. Finally, SG deployment within two aneurysm models has been successfully simulated. The latter study highlighted other complications, like type I endoleak. This work has many promising perspectives, especially the development of a computer-aided surgery.Finite element analysis of the mechanical performances of aortic stent-grafts: application to the treatment of tortuous aneurysms.

L’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) est une pathologie devant être traitée par un acte chirurgical afin d’éviter une rupture, mortelle dans la majorité des cas. Son traitement par chirurgie endovasculaire (EVAR) a pour objectif d’éviter toute opération trop lourde et invasive en déposant une endoprothèse au sein de l’AAA par voie artérielle, à laquelle le chirurgien accède via une simple incision de l’artère fémorale. Les diffeìrents retours cliniques montrent globalement que les probleÌmes post-opeìratoires observeìs - migration, plicature, endofuite, rupture – sont intimement lieìs aÌ la conception des endoprotheÌses actuelles, reìaliseìes par l’assemblage d’un corps textile avec un exosquelette sutureì sur ce dernier. Ces dernières preìsentent aujourd’hui un comportement mécanique treÌs heìteìrogeÌne, et éloigné de celui de l’aorte native. Ces problèmes post-opératoires conduisent très souvent à une nécessité de ré-opération des patients, ce qui réduit à long terme les bénéfices de la chirurgie endovasculaire.Les sollicitations in-vivo auxquelles est soumise l’endoprothèse sont diverses. La sollicitation principale de gonflement engendrée par la pression du flux sanguin, s’accompagne d’une compression exercée par les organes environnants, mais également de la flexion due aux mouvements du patient et aux géométries tortueuses des anévrismes, etc. Le comportement mécanique de l’endoprothèse doit être biomimétique dans la mesure du possible afin de se calquer sur la portion artérielle d’origine, i.e. limiter des discontinuités mécaniques aux collets, responsables d’hyperplasie intimale.Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de contribuer au développement et à l’optimisation d’endoprothèses vasculaires, issues d’une technologie de fabrication innovante permettant d’insérer une trame hélicoïdale métallique en NiTi au sein d’un corps textile PET tricoté par maille jetée. Cette technologie permet de réaliser des structures textiles homogènes sans exo-squelette. Dans le but d’optimiser les structures produites, différents essais expérimentaux ont été mis en place, couplés à des techniques d’imagerie 2D ou 3D – micro-tomographie RX synchrotron et de laboratoire – afin de caractériser leur comportement mécanique ainsi que leur comportement au fluide (perméabilité). Les résultats de ces différents essais sont comparés lorsque cela est possible à des résultats expérimentaux ou numériques de la littérature sur l’aorte saine, ainsi qu’à des données concernant des produits du marché. Le but final de ces travaux est d’accéder au développement d’une structure endoprothétique type, dont le comportement est proche de celui de l’aorte abdominale native et permettant de limiter les problèmes post-opératoires observés aujourd’hui. / Abdominal aortic aneurysm (AAA) is a pathology that must be repaired by a surgical procedure to avoid a rupture, lethal in most of the cases. Endovascular aneurysm repair (EVAR) is a non-invasive procedure, allowing the deployment of a stent-graft inside the aneurysmal sac. Nevertheless, clinical feedback currently available for stent-grafts show that many complications after surgery – migrations, thrombosis, endoleaks, rupture – are closely linked to the mechanical behaviour of the stent-grafts, which is heterogeneous and very far from the one of the aorta. This behaviour is induced by the design of current stent-grafts, made by assembling a textile body with an exoskeleton sutured on the latter. These post-operative problems frequently lead to a second operation of the patient, which drastically reduces the benefits of endovascular surgery.In-vivo, stent-grafts are submitted to various loadings: inflation induced by the blood pressure, compression due to surrounding organs, but also bending due to the patient motion or the aorta tortuosity, etc. As far as possible, the mechanical behaviour of stent-grafts must also be as closed as possible to the original aorta, to avoid mechanical discontinuities that may be responsible for intimal hyperplasia.In this context, the principal purpose of this thesis is to contribute to the development and the optimization of vascular endoprostheses, resulting from an innovative manufacturing technology whose target is to insert a helical metallic wire in NiTi within a knitted PET textile body. This technology allows to build homogeneous textile tubes without any exo-skeleton. In order to optimize these structures, various experimental tests coupled with 2D or 3D imaging techniques – Synchrotron and laboratory X-ray micro-tomography – have been developed to characterize the mechanical behavior as well as permeability of these tubes. The results of these different tests are compared to experimental or numerical results of the literature regarding the native aortic tissue, as well as data concerning market products. The ultimate goal of this work is to provide new stent-grafts whose behavior is close to the native abdominal aorta, and which limit current post-operative problems.

Cette thèse porte sur la segmentation et la caractérisation des artères coronaires et des endoprothèses (stent) en imagerie de Tomographie par Cohérence Optique (OCT). L’OCT est une imagerie de très haute résolution qui permet d’apprécier des structures fines comme la couche intimale de la paroi vasculaire et les mailles du stent (struts). L’objectif de cette thèse est de proposer des outils logiciels autorisant l’analyse automatique d’un examen avec un temps d’exécution compatible avec une utilisation peropératoire. Ces travaux font suite à la thèse de Dubuisson en OCT, qui avait proposé un premier formalisme pour la segmentation de la lumière et la détection des struts pour les stents métalliques. Nous avons revisité la chaine de traitement pour ces deux problèmes et proposé une méthode préliminaire de détection de stents en polymère biorésorbable. Une modélisation surfacique du stent a permis d’estimer une série d’indices cliniques à partir des diamètres, surfaces et volumes mesurés sur chaque coupe ou sur l’ensemble de l’examen. L’apposition du stent par rapport à la paroi est également mesurée et visualisée en 3D avec une échelle de couleurs intuitive. La lumière artérielle est délimitée à l’aide d’un algorithme de recherche de plus court chemin de type Fast Marching. Son originalité est d’exploiter l’image sous la forme hélicoïdale native de l’acquisition. Pour la détection du stent métallique, les maxima locaux de l’image suivis d’une zone d’ombre ont été détectés et caractérisés par un vecteur d’attributs calculés dans leur voisinage (valeur relative du maximum, pente en niveau de gris, symétrie...). Les pics correspondant à des struts ont été discriminés du speckle environnant par une étape de régression logistique avec un apprentissage à partir d’une vérité terrain construite par un expert. Une probabilité d’appartenance des pics aux struts est construite à partir de la combinaison des attributs obtenue. L’originalité de la méthode réside en la fusion des probabilités des éléments proches avant d’appliquer un critère de décision lui aussi déterminé à partir de la vérité terrain. La méthode a été évaluée sur une base de données de 14 examens complets, à la fois au niveau des pixels et des struts détectés. Nous avons également validé de façon exhaustive une méthode de recalage non rigide d’images OCT exploitant des amers appariés par un expert sur les examens source et cible. L’objectif de ce recalage est de pouvoir comparer les examens coupe à coupe et les indices calculés aux mêmes positions à des temps d’acquisition différents. La fiabilité du modèle de déformation a été évaluée sur un corpus de quarante-quatre paires d’examens OCT à partir d’une technique de validation croisée par Leave-One-Out. / This thesis deals with the segmentation and characterization of coronary arteries and stents in Optical Coherence Tomography (OCT) imaging. OCT is a very high resolution imaging that can appreciate fine structures such as the intimal layer of the vascular wall and stitches (struts). The objective of this thesis is to propose software tools allowing the automatic analysis of an examination with a runtime compatible with an intraoperative use. This work follows Dubuisson's thesis in OCT, which proposed a first formalism for light segmentation and strut detection for metal stents. We revisited the treatment chain for these two problems and proposed a preliminary method for detecting bioabsorbable polymer stents. Surface modeling of the stent made it possible to estimate a series of clinical indices from the diameters, surfaces and volumes measured on each section or on the entire examination. Applying the stent to the wall is also measured and visualized in 3D with an intuitive color scale. The arterial lumen is delineated using a Fast Marching short path search algorithm. Its originality is to exploit the image in the native helical form of the acquisition. For the detection of the metallic stent, the local maxima of the image followed by a shadow zone have been detected and characterized by a vector of attributes calculated in their neighborhood (relative value of the maximum, slope in gray level, symmetry ...). Peaks corresponding to struts were discriminated from the surrounding speckle by a logistic regression step with learning from a field truth constructed by an expert. A probability of belonging to the peaks to struts is constructed from the combination of attributes obtained. The originality of the method lies in the fusion of the probabilities of the close elements before applying a decision criterion also determined from the ground truth. The method was evaluated on a database of 14 complete examinations, both at the level of pixels and struts detected. We have also extensively validated a method of non-rigid registration of OCT images using bitters matched by an expert on the source and target exams. The objective of this registration is to be able to compare cut-to-cut examinations and indices calculated at the same positions at different acquisition times. The reliability of the strain model was evaluated on a corpus of forty-four pairs of OCT exams from a Leave-One-Out cross validation technique.

Cette étude à pour but de développer un concept de stent atraumatique pour le remplacement percutanée de la valve aortique. Le stent est obtenu à partir de brins de Nitinol tressés, ce qui lui permet, de part sa géométrie et sa structure, d'être compressible, auto-expansible, et atraumatique. Le principe de fabrication des prototypes et les contraintes qui lui est associé sont présentées. Les performances de ces prototypes, en terme d'ancrage, de régurgitation statique et de régurgitation dynamique sont ensuite évaluées par des essais in vitro, pour lesquel le banc de test en flux pulsé a été optimisé afin de prendre en considération la compliance de la racine aortique. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence les différents paramètres de fabrication stent, tant au niveau dimensionnel (hauteur du cylindre, angle du cône...) qu'au niveau structurel (rigidité), qui ont une influence significative sur le comportement de l'endoprothèse.

Le traitement endovasculaire (EVAR) de l'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) vise à mettre en place une endoprothèse (EP) au sein du sac anévrismal afin d'éviter sa rupture. Si cette chirurgie a l'avantage d'être mini-invasive et de pouvoir être utilisée pour des patients non éligibles à la chirurgie ouverte classique, il existe cependant plusieurs événements indésirables, pouvant apparaître au cours du suivi du patient. Mieux connaître le comportement mécanique des EPs permettrait ainsi d'améliorer leur conception et leur durabilité, principaux verrous au recours systématique à l'EVAR. Ainsi, une méthode de modélisation numérique multi matériaux des EPs a été développée. Les modèles numériques d'EPs ont été validés à partir d'une analyse d'images 3D obtenues par tomographie aux rayons X, montrant ainsi leur fiabilité. Les performances mécaniques de plusieurs EPs disponibles sur le marché ont ensuite été évaluées sur différents essais de plus en plus proches des conditions in vivo subies par ces dispositifs. Les EPs ont ainsi été soumises à des essais de flexion pure puis à des essais combinant flexion et pressurisation. La flexibilité des EPs et la réponse mécanique de leurs composants ont été comparées. Il a été montré que l'architecture de l'EP avait une influence significative sur ses performances mécaniques. Enfin, le déploiement des EPs au sein de deux modèles d'anévrismes a été simulé, permettant de mettre en évidence d'autres complications, comme les endofuites de type I. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de nombreuses perspectives, et notamment au développement d'un logiciel d'aide à la décision à destination des chirurgiens.

Les endoprothèses sont devenues une solution thérapeutique de choix pour les anévrismes aortiques. Même si leur bénéfice à long terme face à la chirurgie ouverte reste incertain, elles permettent de réduire la mortalité et les complications postopératoires précoces. Elles sont toutefois soumises à un certain nombre de contraintes anatomiques. Il y a encore quinze ans, elles étaient contre-indiquées dans le traitement des anévrismes débutant au niveau ou au-dessus des artères rénales, à savoir les anévrismes juxta et suprarénaux (AJSR) et les anévrismes thoraco-abdominaux (ATA). Le développement d'endoprothèses fenêtrées et/ou branchées (EPFB) a permis de proposer une solution endovasculaire à ces patients. Il s'agit d'endoprothèses munies d'orifices ou de branches latérales destinées à maintenir la perfusion des artères rénales et viscérales. Plusieurs études rétrospectives ont rapporté des résultats encourageants à court et moyen terme. Il s'agit néanmoins de techniques complexes, exposées à la survenue de problèmes techniques au niveau des artères cibles (rénales et viscérales) et des voies d'accès fémorales. Les résultats des EPFB nous semblent améliorables par une optimisation de la sélection des patients, par des innovations techniques apportées aux dispositifs implantables, ainsi que l'amélioration des techniques d'imagerie et de navigation endovasculaire. En raisons des délais de fabrication (> 6 semaines), les patients nécessitant un traitement rapide (anévrismes douloureux ou volumineux) échappent par ailleurs aux EPFB manufacturées.Les objectifs de cette thèse étaient: (1) d'évaluer dans notre expérience la fréquence et la nature des problèmes techniques peropératoires, et d'analyser leur impact sur les suites cliniques immédiates; (2) d'évaluer la faisabilité et les performances sur modèle in vitro de la navigation endovasculaire utilisant un système de navigation électromagnétique (StealthStation®, Medtronic); (3) d'évaluer la faisabilité et la sureté de la navigation robotique au cours de la mise en place d'une EPFB; (4) d'analyser les résultats à court terme des endoprothèses avec fenêtres créées à façon par le chirurgien pour des patients porteurs d'anévrismes complexes nécessitant un traitement rapide.Au cours de ce travail, nous avons tout d'abord montré qu'en début d'expérience (113 premiers patients), les problèmes techniques peropératoires n'étaient pas rares (30 % des patients) et que ceux-ci aboutissaient dans plus de la moitié des cas à des complications postopératoires. Ces problèmes techniques sont certes en partie évitables par l'amélioration de la sélection des patients et l'expertise de l'équipe soignante, mais nous pensons que le développement de nouveaux outils d'imagerie et de navigation pourrait également jouer un rôle clé. C'est sur ce dernier point que nous avons accentué nos recherches. Bien qu'une amélioration des performances techniques de la navigation électromagnétique soit nécessaire, nous avons pu montrer qu'elle permettait de fournir des informations complémentaires à la fluoroscopie, notamment lors des étapes de déploiement de l'endoprothèse et de cathétérisme des artères cibles. Plus que concurrente de la fluoroscopie, elle pourrait être utilisée de façon combinée dans le but de diminuer l'irradiation par les rayons X et d'améliorer les performances de la navigation. Nous avons également pu montrer les bénéfices potentiels de la navigation robotique lors de la mise en place d'endoprothèses branchées et ses limites actuelles pour assister de façon efficace les procédures fenêtrées. Enfin, dans une série limitée (n=11) de patients porteurs d'ATA, nous avons montré que l'utilisation d'endoprothèses avec fenêtres créées à façon par le chirurgien était à même de fournir des résultats précoces comparables (mortalité hospitalière : 9%, ischémie médullaire : 9%) à ceux des EPFB, et constituait une solution à considérer pour les patients nécessitant un traitement rapide. / Aortic stent grafts have gained widespread acceptance for the treatment of aortic aneurysms. When compared with open repair, they have been shown to reduce significantly postoperative mortality and complication rates. However, these benefits remain uncertain in the long-term and aortic stent grafts are still limited by anatomic restrictions. Fifteen years ago, patients with complex aneurysms such as juxtarenal, suprarenal and thoracoabdominal aneurysms were not eligible for endovascular repair. With the development of fenestrated and branched stent grafts (FBSG), it is now possible to offer an endovascular solution to these patients. FBSG contains holes (fenestrations) or lateral branches. Their purpose is to allow the proximal margin of the device to sit higher than standard infrarenal devices and allow uninterrupted blood flow to renal and visceral vessels. Retrospective studies have shown encouraging short-term and mid-term results. However, fenestrated/ branched stent grafting remains a complex procedure, associated with significant risks of technical problems such as target vessel loss and difficulties with iliac or femoral accesses. Results of FBSG could be further improved by optimizing patient selection, technical innovation to optimize currently available devices, and developments of new imaging and navigation tools. In addition, due to manufacturing delays (6-10 weeks), FBSG are not applicable to high-risk patients who need rapid treatment (painful or large aneurysms).The objectives of this thesis were: (1) to evaluate the incidence and define the nature of unexpected intraoperative adverse events and analyse their impact on the postoperative outcome; (2) to evaluate in vitro the feasibility and the performances of electromagnetic navigation using a new device (StealthStation®, Medtronic); (3) to evaluate the feasibility and safety of robotic navigation for target vessel cannulation; (4) to analyse short-term results of physician modified stent grafts for patients with complex aortic aneurysms needing rapid treatment.During this work, we showed that intraoperative adverse events were not rare (30% of the first 113 patients) during our early experience. They were responsible for postoperative complications in more than 50 % of cases. Optimal patient selection and increased experience of the medical staff may reduce the incidence of technical problems. However, we believe the development of new imaging modalities and navigation tools could play a key role to limit their occurrence. Although further developments are mandatory, the use of electromagnetic navigation as a complementary imaging modality, as tested with the StealthStation®, might be beneficial in terms of radiation exposure, cannulation performances, and accuracy in the positioning of FBSG. We also showed that robotic cannulation of renal and visceral vessels during complex endovascular aortic procedures is feasible and safe. In our experience, it was more effective for branches than for fenestrations. Finally, we used physician modified stent grafts in a limited series of eleven patients with thoracoabdominal aortic aneurysms. With a 9% in-hospital mortality rate and a 9% rate of spinal cord ischemia, they provided similar results to those of manufactured FBSG, suggesting they might be an option to consider for high-risk patients needing rapid treatment.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.