Background and ObjectiveColorectal cancer (CRC) remains the second deadliest cancer in the United States. Several screening methods exist; however, detection of small polyps remains a challenge. Optical coherence tomography (OCT) has been demonstrated to be capable of detecting lesions as small as 1mm in the mouse colon, but detection is based on measuring a doubling of the mucosa thickness. The colon microvasculature may be an attractive biomarker of early tumor development because tumor vessels are characterized by irregular structure and dysfunction. Our goal was to develop an endoscopic method of detecting and segmenting colon vessels using Doppler OCT to enable future studies for improving early detection and development of novel chemopreventive agents. MethodWe conducted in vivo colon imaging in an azoxymethane (AOM)-treated mouse model of colorectal cancer using a miniature endoscope and a swept-source OCT system at 1,040nm with a 16kHz sweep rate. We applied the Kasai autocorrelation algorithm to laterally oversampled OCT B-scans to resolve vascular flow in the mucosa and submucosa. Vessels were segmented by applying a series of image processing steps: (i) intensity thresholding; (ii) two-dimensional matched filtering; and (iii) histogram segmentation. ResultsWe observed differences in the vessels sizes and spatial distribution in a mature adenoma compared to surrounding undiseased tissue and compared the results with histology. We also imaged flow in four young mice (two AOM-treated and two control) showing no significant differences, which is expected so early after carcinogen exposure. We also present flow images of adenoma in a living mouse and a euthanized mouse to demonstrate that no flow is detected after euthanasia. ConclusionWe present, to the best of our knowledge, the first Doppler OCT images of in vivo mouse colon collected with a fiber-based endoscope. We also describe a fast and robust image processing method for segmenting vessels in the colon. These results suggest that Doppler OCT is a promising imaging modality for vascular imaging in the colon that requires no exogenous contrast agents.

Colorectal cancer (CRC) remains the second deadliest cancer in the United States, despite steady reduction in mortality rate over the last three decades. Colonoscopy is the gold-standard screening modality with high sensitivity and specificity to mature polyps. However, the miss rate for small (<5 mm) lesions is estimated to be as high as 26%. Because the five-year survival rate for CRC detected at the local stage is 90%, there is a clear need for a screening procedure that is sensitive to these small lesions. Optical coherence tomography (OCT) has become a major biomedical imaging modality since its invention in 1991. As the optical analog to ultrasound, OCT provides information in both lateral and depth dimensions with resolution < 10 µm and an imaging depth of about 1.5 mm in scattering tissue. In this dissertation, I describe my efforts to develop new uses of OCT for improved early detection of adenoma in the azoxymethane mouse model of CRC. In recent years, commercial OCT systems have reached imaging speeds sufficiently high for in vivo volumeric imaging while laterally sampling the tissue at the Nyquist limit. First, I describe the design of a miniature endoscope and the integration of this probe with a commercial OCT system. Then I describe the development of two OCT imaging methods, one structural and one functional, that could be used for future work in diagnostic or therapeutic studies. The structural method produces en face images of the colon surface showing the colonic crypts, the first such demonstration of crypt visualization in the mouse. Changes in the crypt pattern are correlated with adenoma and are one of the earliest morphological changes. The functional method uses a Doppler OCT algorithm and image processing to detect the colon microvasculature. This technique can be used for vessel counting and blood flow measurements. Angiogenesis occurs at the beginning of tumorigenesis, and the tumor-originated arterioles are incapable of regular vasodilation. This Doppler OCT technique could potentially detect tumors at the earliest stages by measuring the change in local blood flow velocity in response to vasodilatory stimuli.

Postnatal vascular growth is a complex process involving multiple cells types whose functionality is orchestrated by a variety of soluble extracellular growth factors, mechanical stimuli, and matrix derived cues. The central goal for this dissertation project was to elucidate the role of osteopontin, a non-collagenous extracellular matrix protein, in postnatal vascular growth. At the onset, we concluded that the current methods for measurement of vascularity in small animal models were lacking. To address this shortcoming, we pursued micro-CT imaging for analysis of three-dimensional blood vessel architecture. We were able to demonstrate that micro-CT imaging provides an objective, quantitative, and three-dimensional methodology for evaluation of vascular networks that has broad applicability to preclinical studies. Next, we sought to apply the developed imaging techniques, along with other complementary methodologies, to explore the role of osteopontin in postnatal vascular growth. Osteopontin was previously known to elicit survival, migration, and other relevant activities in multiple cell types involved in postnatal vascular growth. Therefore, we sought to determine the in vivo significance of osteopontin in this process. To do so, we compared wild type and Osteopontin-/- mice for (1) their ability to form collateral vessels and functionally recover following acute induction of hind limb ischemia and (2) their capacity for neovascularization, mineralization, remodeling, and the restoration of mechanical properties during fracture healing. Data suggested that OPN is a critical regulator of collateral vessel formation and that this effect is driven by its role in mediating monocyte/macrophage migration and functionality. Secondly, we found that the presence of osteopontin was essential for normal early callus formation, neovascularization, late stage callus remodeling, and restoration of biomechanical strength. Abnormal collagen organization was observed within the remodeling fractures of Osteopontin-/- mice, and we hypothesize that a unifying link between the vascular and bone defects may be related to deficient matrix organization and remodeling. In conclusion, the imaging techniques developed in this thesis provide a novel methodology for quantitative analysis of vascular structures in small animal models. Secondly, this project has yielded an improved understanding of the basic pathophysiological mechanisms that control postnatal blood vessel growth and bone fracture healing.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22376号 / 医博第4617号 / 新制||医||1043(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 松田 道行, 教授 林 康紀, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

付記する学位プログラム名: 充実した健康長寿社会を築く総合医療開発リーダー育成プログラム / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(人間健康科学) / 甲第23127号 / 人健博第89号 / 新制||人健||6(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科人間健康科学系専攻 / (主査)教授 杉本 直三, 教授 黒木 裕士, 教授 松田 秀一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human Health Sciences / Kyoto University / DFAM

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain. / Locating and quantifying stenosis length and severity are essential for planning adequate treatment of peripheral arterial disease (PAD). To do this, clinicians use imaging methods such as ultrasound (US), Magnetic Resonance Angiography (MRA) and Computed Tomography Angiography (CTA). However, US examination cannot provide maps of entire lower limb arteries in 3D, MRA is expensive and invasive, CTA is ionizing and also invasive. We propose a new 3D-US robotic system with B-mode images, which is non-ionizing, non-invasive, and is able to track and reconstruct in 3D the superficial femoral artery from the iliac down to the popliteal artery, in real time. In vitro, 3D-US reconstruction was evaluated for simple and complex geometries phantoms in comparison with their computer-aided-design (CAD) file in terms of lengths, cross sectional areas and stenosis severity. In addition, for the phantom with a complex geometry, an evaluation was realized using Hausdorff distance, cross-sectional area and stenosis severity in comparison with 3D reconstruction with CTA. A mean Hausdorff distance of 0.97± 0.46 mm was found for 3D-US compared to 3D-CTA vessel representations. In vitro investigation to evaluate stenosis severity when compared with the original phantom CAD file showed that 3D-US reconstruction, with 3%-6% error, is better than 3D-CTA reconstruction, with 4-13% error. The in vivo system’s feasibility to reconstruct a normal femoral artery segment of a volunteer was also investigated. All of these promising results show that our ultrasound robotic system is able to track automatically the vessel and reconstruct it in 3D as well as CTA. Clinically, our system will allow firstly to the radiologist to have 3D images readily interpretable and secondly, to avoid radiation and contrast agent for patients.