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.

Dans cette étude de microzonage sismique, des essais d’analyse spectrale des ondes de surface (SASW) ont été exécutés dans quarante sites de la ville des Cayes, située à 154 km de Port-au-Prince à Haïti. Le système d’acquisition des données in situ est composé de trois géophones L4C de Marc Product, d’un analyseur HP6567 et des sources d’impact constituées d’un marteau de 12 lb (5,45 kg) et d’une masse de 88,2 lb (40 kg) tombant d’une hauteur de chute pouvant aller jusqu’à 2,50 m. Les signaux collectés sont traités à l’aide d’une méthode d’inversion simplifiée (SIM). Cette technique, évaluée à partir des simulations, fournit des profils de vitesse des ondes de cisaillement avec une bonne précision. Ainsi, quarante profils de vitesse ont été établis, au cours de ces travaux, au moyen de la SIM. À-côté des essais SASW, des études géotechniques constituées d’essais SPT, de pénétromètre dynamique (PD) et de MASW ont été compilées pour la caractérisation des sols de la ville des Cayes. Ces mesures ont été exécutées dans la région plaine à des profondeurs d’investigation atteignant 10 à 30 m. Des corrélations de la littérature, entre SPT et PD et entre SPT et V[indice inférieur s] ont permis d’établir des profils de vitesse des ondes de cisaillement. Les profils obtenus par corrélations et ceux évalués directement par SASW sont en accord dans les sites proches considérés. Ce constat prouve que les profils de vitesse obtenus par SASW correspondent à la rigidité réelle du sol. La catégorisation des sols, sur la base du paramètre V[indice inférieur s30], indique deux classes de sol dominantes dans la ville des Cayes. Il s’agit des sols de classe C, en région montagneuse, et des sols de classe D en plaine. Dans certaines zones très altérées et friables des faciès montagneux du miocène moyen, le sol est de catégorie D. Dans certains espaces marécageux et proches des côtes, la catégorie E peut être obtenue en plaine. La prise en compte des effets de site a été envisagée au moyen des facteurs d’amplification fixés pour différentes catégories de sol et pour des accélérations spectrales telles que définies par l’analyse d’aléa sismique probabiliste suivant les données de l’USGS. Les spectres d’accélération à la surface, établis dans les diverses zones, indiquent de forts mouvements pour des structures de moins de 0,5 s, représentant la majorité des structures des Cayes. Le centre-ville, se trouvant au plus faible niveau d’aléa sismique, présente des accélérations spectrales allant de 0,897 g à 1,127 g pour les bâtiments de périodes inférieures à 0,5 s. D’autres essais SASW, munis d’une source d’impact plus énergétique, devraient être effectués dans les plaines pour atteindre le rocher. Au voisinage des lacs, au nord des Cayes, d’autres mesures devraient, également, être exécutées pour confirmer la classe D ou C du sol. De plus, d’autres tests comme les rapports H/V et SPT, CPT peuvent s’avérer aussi nécessaires pour une plus grande définition des dépôts meubles caractérisant les Cayes. Ils permettront de réaliser une estimation plus précise du mouvement à la surface, de réaliser des analyses dynamiques et de préciser éventuellement, la catégorie F du sol en zone côtière ou marécageuse.

Les réponses des sols aux diverses sollicitations qu'ils subissent à l'état naturel sur site sont multiples et dépendent de nombreux facteurs tel que leur nature, le domaine de sollicitation, la présence d'eau et plusieurs autres facteurs (état de contrainte, présence de cavités, etc.). La connaissance du domaine des petites et moyennes déformations pour le dimensionnement de nombreux ouvrages sur des dépôts de sols argileux ou sableux est d'une grande importance. La détermination des propriétés mécaniques des sols dans le domaine des petites déformations est néanmoins importante dans plusieurs applications en géotechnique. Le besoin de déterminer le module de cisaillement des sols à faibles déformations a conduit au développement de différents outils d'investigation.Les outils non intrusifs basés sur la propagation des ondes de surface permettent de s'affranchir des problèmes de remaniement du sol et la détermination des paramètres fondamentaux (G[indice inférieur max]) du sol dans leur vrai état des contraintes. L'étude menée dans ce travail se résume essentiellement en deux volets. Une présentation détaillée, des différentes méthodes et techniques qui déterminent la vitesse d'onde de cisaillement V[indice inférieur s] lors de la caractérisation des sols, est faite en premier stade. On se focalise à décrire le dispositif des bilames piézo-électriques (utilités, avantages et limitations). En second volet, on se consacre sur la caractérisation des sols granulaires au moyen de V[indice inférieur s]. Des simulations numériques illustrées par des essais aux laboratoires sur un modèle simplifié de la cellule oedométrique équipée du dispositif des anneaux piézo-électriques, ont été dirigés. En considérant trois sols pulvérulents de différentes propriétés granulométriques, on a pu voir les difficultés d'interprétation des résultats suivant les méthodes directes dans le domaine temporel. Alors que, des résultats traités dans le domaine fréquentiel se sont avérés plus réalistes.

Le premier chapitre de ce mémoire porte sur l'élastographie transitoire, une nouvelle technique ultrasonore capable de cartographier l'élasticité de cisaillement du corps humain. Cette information est utilisée depuis longtemps par les médecins lorsqu'ils procèdent à un examen par palpation. Un outil de palpation ultrasonore pourrait être extrêmement efficace pour dépister ou diagnostiquer certains cancers comme celui du sein par exemple. C'est le sujet de la première partie. La thèse de Laurent Sandrin (novembre 2000) a montré la faisabilité de cette technique d'imagerie pour localiser et mesurer l'élasticité d'inclusions « dures » dans des gels d'agar-gélatine. Les premiers essais cliniques ont lieu à l'Institut Curie en juin 2001. La fin de cette première partie est consacrée à l'utilisation de la force de radiation acoustique en élastographie transitoire.<br />Dans la deuxième partie, nous nous attachons à décrire la viscosité des tissus biologiques. Cette problématique a été étudiée pendant la thèse de Jean-Luc Gennisson (soutenue en septembre 2003) d'un point de vue académique et pendant la thèse de Jeremy Bercoff (décembre 2004) pour une application en imagerie médicale. Enfin, une coopération avec Ralph Sinkus (Philipps Research Hamburg) dans le domaine de l'élastographie par IRM a permis de jeter les bases d'un algorithme de problème inverse visco-élastique.<br />Notre quête des paramètres mécaniques des tissus biologiques nous a naturellement amenés vers le sujet de la troisième partie : l'anisotropie. Avec Jean-Luc Gennisson alors en thèse, nous avons mené à l'institut de Myologie de l' hôpital La Pitié Salpêtrière ainsi qu'avec Christophe Cornu et Pierre Portero, une campagne expérimentale portant sur les mesures d'élasticité transverse du biceps sur dix volontaires. Ces travaux scientifiques dans les milieux biologiques où l'anisotropie est une règle plutôt qu'une exception, nous ont permis d'établir des collaborations fructueuses avec Steve Levinson, université de Rochester, NY, pionnier de l'élastographie stationnaire. L'excellent accord entre les expériences et la théorie de l'élasticité dans les milieux anisotropes nous a poussés à formuler avec Ralph Sinkus (Philipps Research Hamburg) les bases d'un algorithme de problème inverse visco-anisotrope.<br />Si l'étude de la non linéarité dans les métaux, les cristaux et les roches a donné lieu à de nombreuses publications, la littérature est extrêmement avare en matière de non linéarité dans les solides mous. De ce fait, cette troisième partie qui décrit des recherches à caractère fondamental, constitue la partie la plus académique du mémoire. Grâce à l'élastographie transitoire, nous avons pu obtenir des résultats quantitatifs sur la mesure des coefficients non linéaires de Landau. Les résultats d'expériences d'acoustoélasticité, celles d'ondes transverses de fortes amplitudes ou d'interactions non linéaires d'ondes transverses menées avec Jean-Luc Gennisson, Jeremy Bercoff (thèse soutenue en décembre 2004) et Xavier Jacob (soutenance de thèse prévue en mai 2005) convergent vers la conclusion suivante : si le coefficient élastique de compression du second ordre λ est de six ordres de grandeur supérieur au coefficient élastique de cisaillement μ dans les solides mous, il en va de même pour les coefficients élastiques non linéaires de compression du troisième ordre B et C par rapport au coefficient élastique non linéaire de cisaillement A. Ces résultats expérimentaux nous ont permis de collaborer avec les théoriciens de grande renommée, Yuri Ilinsky et Zhenia Zabolotskaya de l'université de Huston, TX, que nous avons eu le plaisir d'accueillir trois semaines au laboratoire en juillet 2004.<br />Comme j'ai passé toutes les années de thèse dans un laboratoire dont le thème de recherche principal est le retournement temporel des ondes acoustiques, il était fatal que, tôt ou tard, cette thématique très riche et très féconde me contamine. Mes premières expériences de retournement temporel acoustique ont été effectuées sur un coin de table au Marine Physical Laboratory, à l'institut Scripps de San Diego, CA, pendant mon année post doctorale dont le thème était : « mesures ultrasonores de diamètres de vaisseaux sanguins ». A mon retour au laboratoire Ondes et Acoustique en janvier 2000, Ros Kiri Ing, Mathias Fink et moi avons lancé cette thématique sur le retournement temporel des cavités réverbérantes immergées, qui s'est avérée partager avec les expériences de retournement temporel dans les milieux multidiffuseurs ou dans les guides d'ondes bon nombre de problématiques.<br />Ces recherches, dont l'essentiel est synthétisé dans le second chapitre, ont été menées parallèlement aux activités d'élastographie et, bien entendu, parallèlement à mes activités d'enseignement à l'université de Paris 7. Outre l'intérêt scientifique de vérifier les lois de la diffraction ou le principe d'Huygens dans des cavités chaotiques en contact avec un transducteur ultrasonore unique, nous avons montré pendant la thèse de Nicolas Quieffin (soutenue en décembre 2004) comment le champ acoustique réverbéré pouvait être contrôlé afin de focaliser les ultrasons en temps réel à l'extérieur de la cavité immergée. Les applications potentielles de ce procédé dans le domaine de l'imagerie notamment médicale pourraient permettre d'envisager des systèmes utilisant un petit nombre de transducteurs donc à faible coût. Mais c'est dans un tout autre domaine, celui de l'interactivité, que ce procédé est apparu immédiatement utile. Ros Kiri Ing et moi avec le projet ReverSys « les interfaces acoustiques interactives » soutenu par AGORANOV, incubateur d'entreprises de<br />technologies innovantes, avons obtenu la mention spéciale du jury au Grand Prix de l'Innovation de la Ville de Paris 2003. Sous l'impulsion de Ros Kiri Ing, la société Sensitive Object a vu le jour en octobre 2003.

Dans cette étude de microzonage sismique, des essais d’analyse spectrale des ondes de surface (SASW) ont été exécutés dans quarante sites de la ville des Cayes, située à 154 km de Port-au-Prince à Haïti. Le système d’acquisition des données in situ est composé de trois géophones L4C de Marc Product, d’un analyseur HP6567 et des sources d’impact constituées d’un marteau de 12 lb (5,45 kg) et d’une masse de 88,2 lb (40 kg) tombant d’une hauteur de chute pouvant aller jusqu’à 2,50 m. Les signaux collectés sont traités à l’aide d’une méthode d’inversion simplifiée (SIM). Cette technique, évaluée à partir des simulations, fournit des profils de vitesse des ondes de cisaillement avec une bonne précision. Ainsi, quarante profils de vitesse ont été établis, au cours de ces travaux, au moyen de la SIM. À-côté des essais SASW, des études géotechniques constituées d’essais SPT, de pénétromètre dynamique (PD) et de MASW ont été compilées pour la caractérisation des sols de la ville des Cayes. Ces mesures ont été exécutées dans la région plaine à des profondeurs d’investigation atteignant 10 à 30 m. Des corrélations de la littérature, entre SPT et PD et entre SPT et V[indice inférieur s] ont permis d’établir des profils de vitesse des ondes de cisaillement. Les profils obtenus par corrélations et ceux évalués directement par SASW sont en accord dans les sites proches considérés. Ce constat prouve que les profils de vitesse obtenus par SASW correspondent à la rigidité réelle du sol. La catégorisation des sols, sur la base du paramètre V[indice inférieur s30], indique deux classes de sol dominantes dans la ville des Cayes. Il s’agit des sols de classe C, en région montagneuse, et des sols de classe D en plaine. Dans certaines zones très altérées et friables des faciès montagneux du miocène moyen, le sol est de catégorie D. Dans certains espaces marécageux et proches des côtes, la catégorie E peut être obtenue en plaine. La prise en compte des effets de site a été envisagée au moyen des facteurs d’amplification fixés pour différentes catégories de sol et pour des accélérations spectrales telles que définies par l’analyse d’aléa sismique probabiliste suivant les données de l’USGS. Les spectres d’accélération à la surface, établis dans les diverses zones, indiquent de forts mouvements pour des structures de moins de 0,5 s, représentant la majorité des structures des Cayes. Le centre-ville, se trouvant au plus faible niveau d’aléa sismique, présente des accélérations spectrales allant de 0,897 g à 1,127 g pour les bâtiments de périodes inférieures à 0,5 s. D’autres essais SASW, munis d’une source d’impact plus énergétique, devraient être effectués dans les plaines pour atteindre le rocher. Au voisinage des lacs, au nord des Cayes, d’autres mesures devraient, également, être exécutées pour confirmer la classe D ou C du sol. De plus, d’autres tests comme les rapports H/V et SPT, CPT peuvent s’avérer aussi nécessaires pour une plus grande définition des dépôts meubles caractérisant les Cayes. Ils permettront de réaliser une estimation plus précise du mouvement à la surface, de réaliser des analyses dynamiques et de préciser éventuellement, la catégorie F du sol en zone côtière ou marécageuse.

Le travail mené dans cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur l’élastographie par onde de cisaillement. Après un rappel bibliographique, la présentation d’une étude expérimentale montre que la résolution en élastographie par ultrasons est du même ordre de grandeur que la résolution en échographie et que sa limite dépasse la longueur d’onde de cisaillement. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation d’un réseau de sources mécaniques pour la génération et le contrôle des ondes de cisaillement. Un miroir à retournement temporel de six vibreurs est d’abord mis en place. Ce dispositif montre un contrôle spatio-temporel du champ élastique dans un gel gélatine-graphite. Comparé à l’utilisation d’un seul vibreur, le réseau de sources, proposé dans ce travail, améliore de 10dB le rapport signal sur bruit. L’application de cette méthode sur un modèle du crâne humain montre la possibilité de délivrer et contrôler les ondes de cisaillement dans le cerveau par conduction osseuse. Enfin, l’application de cette méthode à l’élastographie des couches abdominales est présentée par une étude sur un modèle synthétique et in vivo sur un volontaire sain / This thesis is in line with shear-wave elastography research. After, a bibliographic review, an experimental study shows that the resolution on ultrasound elastography is of the same order of magnitude of the echography resolution and its limit exceeds the shear-wavelength. The original aspect of this work is the use of a phased array of mechanical sources to generate and control shear waves. A time reversal mirror of six shakers is set up. This device shows a space-time control of shear-wave field in gelatin-graphite phantom. Compared to the use of a single source, this phased array of shear-wave improves by 10dB the signal to noise ratio. Using this method on human skull model shows the possibility to deliver and control shear waves in brain using bone conduction. Finally, the application of this method on shear-wave elastography of abdominal layers is shown by a study on synthetic model and in vivo on a healthy volunteer

L'élastographie-IRM du sein (MRE) est une technique d'imagerie fonctionnelle non invasive utilisant les propriétés visco-élastiques des tissus et qui permet comme en élastographie-échographie d'évaluer la rigidité d'une lésion. Il est également possible, à la différence de l'élastographie-échographie, d'évaluer le degré de viscosité d'une lésion, et ainsi grâce à la combinaison élasticité/viscosité, comparée à l'analyse des paramètres IRM classiques comme la morphologie ou la cinétique de rehaussement, d'améliorer la caractérisation lésionnelle. Très peu d'études en élastographie-IRM du sein ont été menées à ce jour, essentiellement du fait d'une problématique instrumentale et de mise à disposition d'une antenne dédiée sein équipé d'un dispositif de génération des ondes de cisaillement dans le sein. Dans un premier temps, nous avons pu établir et optimiser une séquence élasto-IRM du sein sur une série de 10 volontaires saines. Cette séquence basée sur un principe de séquence Spin Echo EPI-MRE 3D, a permis l'acquisition de 50 coupes en 10 minutes sur un sein, compatible avec la pratique clinique en IRM du sein. Une approche multifréquence à 37,5 Hz, 75 Hz et 112,5 Hz a été ensuite testée sur les trois dernières volontaires puis transférées à notre population de patientes. Cette séquence multifréquence permettait la continuité de diffusion des ondes dans le sein. 50 patientes présentant des lésions indéterminées ou suspectes du sein (37 cancers, 13 bénins) ont ensuite été incluses dans ce protocole et examinées par IRM du sein classique avec séquence supplémentaire élasto-IRM. Certaines patientes étaient aussi examinées en élasto-échographie. Les données IRM morphologiques, dynamiques et de visco-élasticité IRM ont été corrélées à l'histologie. Nous avons pu montrer que les paramètres visco-élastiques IRM étaient fortement corrélés avec le score de malignité d'une lésion (Bi-RADS ACR) et avec le caractère différentiel bénin/malin. C'est notamment le paramètre Gd qui représente l'élasticité, qui était plus faible en cas de lésion suspecte BI-RADS 5. Le paramètre Gl était plus élevé dans les lésions malignes par rapport aux lésions bénignes, avec un niveau de viscosité statistiquement supérieur dans les lésions malignes. Le meilleur paramètre semble être le rapport y (Gl/Gd) qui était aussi significativement élevé dans les lésions malignes par comparaison avec les lésions bénignes du sein, et qui a été analysé comme un facteur indépendant. En pratique, l'ajout de la séquence MRE à un examen IRM du sein classique a permis dans notre étude d'améliorer significativement la sensibilité de l'IRM (de 78 à 91 %) sans perte de spécificité, celle-ci étant initialement très bonne dans cette étude. Nous n'avons pas en revanche établi de lien entre la fibrose, la quantification vasculaire ou la nécrose pour expliquer ces phénomènes de visco-élasticité des tumeurs. En conclusion, l'élasto-IRM peut s'avérer utile pour améliorer le diagnostic de lésions du sein en IRM. Une poursuite des travaux avec optimisation de la séquence pour qu'elle puisse permettre l'analyse des deux seins sera nécessaire pour sa diffusion en pratique clinique. Ce travail pourrait idéalement se poursuivre sur une plus grande série de patientes.

Les travaux menés lors de cette thèse portent sur le développement d'une approche passive d'Elastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. Inspirée des techniques de corrélation de bruit sismique développée en séismologie, et du retournement temporel en acoustique. L'Elastographie passive utilise des ondes de cisaillement naturellement présentent dans le corps humain pour extraire les propriétés mécaniques des tissues biologiques. La faisabilité de cette approche passive est démontrée pour divers applications. En ultrason, un échographe à cadence lente ont été utilisés pour le guidage du traitement par ultrason à haut intensité dans une étude préclinique. Puis l'utilisation d'un échographe ultra-rapide pour la reconstruction des cartes de vitesses dans des gels calibrés ainsi que in-vivo. L'Elastographie passive par résonnance magnétique a été également mise en place pour imager les mouvements naturels dans le cerveau d'un volontaire sain et la réalisation d'une tomographie de longueurs d'ondes. En optique pour des applications en ophtalmologie ou en dermatologie, la faisabilité de l'Elastographie passive par cohérence optique a été démontrée dans un gel puis in-vivo dans l'œil d'une souris pour des. Puis une preuve du concept d'un dispositif d'imagerie d'ondes de surfaces complètement optique été testé dans des gels plan, courbé, isotrope ou anisotrope. Finalement, la limite de la résolution de l'Elastographie passive par ultrason est évaluée / The aim of this thesis was the development of a new approach called passive elastography. This approach is inspired from noise correlation methods well developed in seismology and time reversal technics in acoustics. Passive elastography uses shear waves naturally induced in the human body to extract its mechanical properties of soft tissue. The feasibility of this method was tested in several applications. First in ultrasound, slow frame rate ultrasound scanner was used to monitor high intensity focused ultrasound treatment on porcine pancreas. Then, an ultrafast ultrasound scanner was used to retrieve shear wave speed map in a calibrated phantom and in-vivo. Second, Magnetic resonance elastography was implemented to image natural motion in the brain of healthy volunteers and conduct shear wavelength tomography. Third, of ophthalmological and dermatological applications, optical coherence passive elastography was tested in a phantom and a cornea of healthy mouse. Also, a fully optical setup was established to image surface wave for elastography applications. Finally, the resolution limit of elastography was measured using and ultrasound ultrafast scanner

Selon l'American Lung Association, dans les dernières années, les maladies pulmonaires sont devenues la troisième cause mondiale de décès après les maladies cardiovasculaires et le cancer. Et il est prévu que la position augmente dans ce classement au cours des dix prochaines années. Les maladies pulmonaires telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose interstitielle affectent des millions de personnes dans le monde, tuant des milliers d'entre eux chaque année tandis que de nouveaux cas sont signalés. Aujourd'hui, il n'y a pas de diagnostic précoce des maladies pulmonaires. Celles-ci se manifestent essentiellement par une modification des propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire qui ne peut être détectée par les techniques usuelles appliquées généralement sur les autres organes. La tomodensitométrie par rayons X et la biopsie pulmonaire chirurgicale peuvent indiquer la maladie. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire la progression de cette dernière ni de déterminer la durée optimale de la thérapie, ni encore d'explorer l'administration d'autres agents potentiellement moins toxiques que ceux utilisés de nos jours. Les causes et les mécanismes de la maladie ainsi que les facteurs génétiques associés ne sont pas encore déterminés. Les enjeux sociétal et médical sont énormes. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction-même de l'organe. Elles pourraient être des biomarqueurs pulmonaires très sensibles puisqu'elles dépendent de la structure des tissus, des conditions biologiques, et qu'elles sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. Toutefois, l’auscultation et l’exploration tactile couramment utilisées ne peuvent pas localement les sonder in vivo. Dans ce travail de thèse, une nouvelle modalité a été développée pour cartographier les propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire afin de détecter, quantifier et classer les maladies qui les modifient. Cette nouvelle méthode d'imagerie, l’élastographie par résonance magnétique de l'hélium-3 hyperpolarisé, bénéficie de l'innocuité et de la sensibilité de la technique ainsi que de l'importance du signal d'hélium-3 hyperpolarisé dans les poumons.Tout d'abord, la technique a été validée sur des fantômes de poumons préservés de cochon. D'une part, les hypothèses de confinement du gaz et de l'indépendance à la composition du gaz qui sous-tendent l'élastographie IRM quantitative de l'hélium-3 ont été confirmées. D'autre part, la sensibilité de la technique a été éprouvée par rapport à l'inflation des poumons et à leur dépendance à la gravité. Puis, un mode d'excitation original a été développé et les protocoles d'acquisition IRM ont été optimisés pour réaliser l'élastographie IRM de l'hélium-3 in vivo. Les premières mesures de propagation d'ondes de cisaillement ont été obtenues à la fois dans des poumons de rat et d'humain. Les modules d'élasticité de cisaillement obtenus s'accordent assez bien avec les valeurs de rigidité obtenues ex vivo par les techniques alternatives. Ce travail ouvre une voie unique d'exploration in vivo de la physiopathologie pulmonaire. / According to the American Lung Association, for the last few years, lung diseases have become the third most common cause of death worldwide after cardiovascular disease and tumors, and it is expected to rise up the ranking position in the next ten years. Lung diseases such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease and interstitial fibrosis affect millions of people worldwide, killing thousands of them every year while new cases are reported. Today, there is no early diagnosis of these pulmonary diseases. They effectively manifest by a modification of the viscoelastic properties of the lung parenchyma which cannot be detected by usual techniques that are applied to other organs. X-ray computer tomography and surgical lung biopsy can state the disease. However, it is not yet possible to predict its progression, to determine the optimal length of the therapy, or to explore the administration of other agents potentially less toxic than those used nowadays. Causes and mechanisms of the disease, associated genetic factors are not determined yet. The social and medical issues are huge. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the basic function of the organ. They could be very sensitive pulmonary biomarkers as they depend on the tissue structure, the biological conditions, and they are dramatically altered by most lung diseases like cancer, emphysema, asthma, or interstitial fibrosis. However, current auscultation and tactual explorations fail to regionally probe them in vivo.In this PhD work, a new modality was developed to regionally measure the viscoelastic properties of the lung parenchyma in order to detect, quantify, and classify diseases that modify them. This new imaging approach, hyperpolarized helium-3 Magnetic Resonance Elastography (MRE), benefit from the innocuity and the sensitivity of the technique as well as from the huge hyperpolarized helium-3 signal in the lung. First, the technique was validated on preserved pig lung phantoms. On the one hand, the assumptions of gas confinement and gas content independence that support quantitative helium-3 MRE were assessed. On the other hand, the sensitivity of the technique was challenged with respect to lung inflation and gravity dependence. Second, original means of mechanical excitation were developed and MR acquisition protocols were optimized to perform helium-3 MRE in vivo. First measurements of shear wave propagation were achieved in both rat and human lungs. Resulting shear elasticity agrees fairly well with stiffness values found ex vivo by alternative measurement techniques. This work opens up promising insights into lung pathophysiology in vivo.

L’élastographie-IRM du sein (MRE) est une technique d’imagerie fonctionnelle non invasive utilisant les propriétés visco-élastiques des tissus et qui permet comme en élastographie-échographie d’évaluer la rigidité d’une lésion. Il est également possible, à la différence de l’élastographie-échographie, d’évaluer le degré de viscosité d’une lésion, et ainsi grâce à la combinaison élasticité/viscosité, comparée à l’analyse des paramètres IRM classiques comme la morphologie ou la cinétique de rehaussement, d’améliorer la caractérisation lésionnelle. Très peu d’études en élastographie-IRM du sein ont été menées à ce jour, essentiellement du fait d’une problématique instrumentale et de mise à disposition d’une antenne dédiée sein équipé d’un dispositif de génération des ondes de cisaillement dans le sein. Dans un premier temps, nous avons pu établir et optimiser une séquence élasto-IRM du sein sur une série de 10 volontaires saines. Cette séquence basée sur un principe de séquence Spin Echo EPI-MRE 3D, a permis l’acquisition de 50 coupes en 10 minutes sur un sein, compatible avec la pratique clinique en IRM du sein. Une approche multifréquence à 37,5 Hz, 75 Hz et 112,5 Hz a été ensuite testée sur les trois dernières volontaires puis transférées à notre population de patientes. Cette séquence multifréquence permettait la continuité de diffusion des ondes dans le sein. 50 patientes présentant des lésions indéterminées ou suspectes du sein (37 cancers, 13 bénins) ont ensuite été incluses dans ce protocole et examinées par IRM du sein classique avec séquence supplémentaire élasto-IRM. Certaines patientes étaient aussi examinées en élasto-échographie. Les données IRM morphologiques, dynamiques et de visco-élasticité IRM ont été corrélées à l’histologie. Nous avons pu montrer que les paramètres visco-élastiques IRM étaient fortement corrélés avec le score de malignité d’une lésion (Bi-RADS ACR) et avec le caractère différentiel bénin/malin. C’est notamment le paramètre Gd qui représente l’élasticité, qui était plus faible en cas de lésion suspecte BI-RADS 5. Le paramètre Gl était plus élevé dans les lésions malignes par rapport aux lésions bénignes, avec un niveau de viscosité statistiquement supérieur dans les lésions malignes. Le meilleur paramètre semble être le rapport y (Gl/Gd) qui était aussi significativement élevé dans les lésions malignes par comparaison avec les lésions bénignes du sein, et qui a été analysé comme un facteur indépendant. En pratique, l’ajout de la séquence MRE à un examen IRM du sein classique a permis dans notre étude d’améliorer significativement la sensibilité de l’IRM (de 78 à 91 %) sans perte de spécificité, celle-ci étant initialement très bonne dans cette étude. Nous n’avons pas en revanche établi de lien entre la fibrose, la quantification vasculaire ou la nécrose pour expliquer ces phénomènes de visco-élasticité des tumeurs. En conclusion, l’élasto-IRM peut s’avérer utile pour améliorer le diagnostic de lésions du sein en IRM. Une poursuite des travaux avec optimisation de la séquence pour qu’elle puisse permettre l’analyse des deux seins sera nécessaire pour sa diffusion en pratique clinique. Ce travail pourrait idéalement se poursuivre sur une plus grande série de patientes. / MR-elastography (MRE) is a non-invasive functional Imaging technique using tissue mechanical visco-elastic properties to evaluate tissue stifness. MRE is different from elasticity Imaging in ultrasound, as it is possible to evaluate tumour viscosity. Combining viscosity and elasticity may improve MRI accuracy, in comparison with classical morphological and kinetics criteria. Only very few studies are focused on breast MRE, because of low availability of dedicated breast coils with MRE devices. Firstly, we developed and optimized a breast MRE sequence on a population of 10 volunteers. This sequence is based on a Spin Echo EPI-MRE 3D, and it was possible to acquire 50 slices on one breast in 10 minutes, which is applicable in a clinical routine in breast MRI. Secondly, a multi-frequency approach 37,5 Hz, 75 Hz and 112,5 Hz has been evaluated on the last three volunteers, then transferred to our patient’s population. A continous diffusion of waves within the breast was possible with this multifrequency approach sequence. 50 patients presenting undetermined or suspicious breast lesions (37 cancers, 13 benign lesions) were included in this study and examined with a standard breast MRI and MRE sequence. Some patients were also examined with shear-wave ultrasound elastography (ARFI mode, Siemens ®). Morphological, kinetic and visco-elastic MR parameters were correlated to pathology. We demonstrated that MR visco-elastic properties were strongly correlated with Bi-RADS ACR malignancy score of a breast lesion and with malignant and benign status. The best parameter was Gd (dynamic modulus), which corresponded to lesion stiffness. Gd was lower in case of BI-RADS 5 lesions. Gl parameter (Loss modulus) was higher in malignant lesions in comparison with benign lesions, with viscosity level statistically higher in malignant lesions. The best criterion was the ratio y (Gl/Gd), which was significantly higher in malignant lesions in comparison with benign lesions; ratio y was statistically an independent factor. In practice, addition of a MRE sequence to a standard breast MRI improved significantly breast MRI Sensitity (78 to 91 %) without reduction in specificity; Sp was anyway initially high in our study. Nevertheless, we didn’t demonstrate a statistical correlation with fibrosis, vascular grading or necrosis with MRE parameters, to explain visco-elastic properties of breast tumours. In conclusion, MR-elastography may be useful to improve breast MRI accuracy. In future studies, MRE sequence may be optimized to allow a bilateral acquisition on both breasts, which would be useful in clinical practice. Future works could include higher number of patients to confirm our results.