Muscle artificiel : analyse in-vitro de deux systèmes d'assistance ventriculaire externes

Contexte : L'insuffisance cardiaque touche environ 150 personnes sur 100'000 habitants en Suisse, avec une¦prévalence évaluée à 1.45 %, et cause 42.3 décès par 100'000 habitants. Globalement, la prévalence de¦l'insuffisance cardiaque augmente, d'une part à cause du vieillissement de la population, d'autre part par¦l'amélioration de la prise en charge de pathologies cardiaques. La transplantation reste actuellement le gold¦standard pour l'insuffisance cardiaque réfractaire au traitement pharmacologique, mais les organes sont¦rares. Une alternative a donc été développée, celle des systèmes d'assistance ventriculaire (ventricular assist¦device, VAD). Les appareils existants actuellement sur le marché fonctionnent en déviant le sang du¦ventricule vers un système de projection à flux pulsatile ou continu placé dans la cage thoracique, avant de le¦renvoyer vers l'artère. Ils comportent certains défauts, en particulier la nécessité de léser le coeur pour les¦implanter et les risques hémorragique et thrombo-embolique importants. Pour remédier à ces défauts, des¦VAD externes sont en cours de développement. Fixés autour du coeur, ils permettent de l'assister dans la¦contraction, sans contact direct avec le sang ni lésion du coeur. Dans cette étude, nous avons créé deux¦prototypes de VAD externes basés sur la technique du muscle artificiel. Ils sont faits de fils de Nitinol, un¦alliage à mémoire de forme qui raccourcit lorsqu'il est chauffé. Placés autour du coeur, ils lui impriment un¦mouvement de contraction, tel un muscle artificiel.¦Méthode : deux VAD externes ont été créés en utilisant du Nitinol. Les fibres de Nitinol du VAD N°1¦passent à travers des charnières qui augmentent son pouvoir de contraction. Celles du VAD N°2 sont¦orientées dans un maillage de fibres de Kevlar de manière à reproduire la direction des fibres musculaires du¦ventricule humain. Ils ont été testés sur un banc d'essai avec un coeur en silicone. Nous avons mesuré la¦fraction d'éjection, le débit et la pression générée, à différentes valeurs de précharge et post-charge. Les¦VAD étaient alimentés par une génératrice ou par une unité de contrôle, qui permettait de fournir l'énergie¦précisément dans chaque fil de Nitinol et d'imposer une certaine fréquence cardiaque.¦Résultats : Tant avec la génératrice que l'unité de contrôle, le ventricule gauche du VAD N°1 fournit une¦fraction d'éjection maximale de 16.09 %. Le débit maximal est de 191.42 ml/min. La génératrice permet au¦VAD N°2 de fournir une fraction d'éjection de 6.18 %, contre 2.48 % avec l'unité de contrôle. Le débit¦maximal est de 27.37 ml/min. La pression générée atteint 75 mmHg pour le VAD N°1 et 6 mmHg pour le¦VAD N°2.¦Discussion/conclusion : Le VAD N°1 est le plus performant, il permet une augmentation significative de la¦fraction d'éjection et pourrait avoir un impact sur la qualité de vie des patients. L'unité de contrôle apporte¦un avantage sur la génératrice pour le VAD N°1, en dirigeant plus précisément l'énergie dans les fils de¦Nitinol et en limitant les pertes. Le VAD N°2, lui, est peu performant et l'unité de contrôle n'améliore pas¦ses performances. Cela est probablement dû à sa configuration initiale, la taille du VAD n'étant pas adaptée¦au coeur en silicone. Cette étude prouve qu'il est possible d'assister un coeur depuis l'extérieur, sans l'altérer,¦et que la position des fibres de Nitinol a plus d'importance que leur nombre.

Three-Dimensional (3D) Microarchitecture Correlations with 2D Projection Image Gray-Level Variations Assessed by Trabecular Bone Score Using High-Resolution Computed Tomographic Acquisitions: Effects of Resolution and Noise.

The aim of the present study is to determine the level of correlation between the 3-dimensional (3D) characteristics of trabecular bone microarchitecture, as evaluated using microcomputed tomography (μCT) reconstruction, and trabecular bone score (TBS), as evaluated using 2D projection images directly derived from 3D μCT reconstruction (TBSμCT). Moreover, we have evaluated the effects of image degradation (resolution and noise) and X-ray energy of projection on these correlations. Thirty human cadaveric vertebrae were acquired on a microscanner at an isotropic resolution of 93μm. The 3D microarchitecture parameters were obtained using MicroView (GE Healthcare, Wauwatosa, MI). The 2D projections of these 3D models were generated using the Beer-Lambert law at different X-ray energies. Degradation of image resolution was simulated (from 93 to 1488μm). Relationships between 3D microarchitecture parameters and TBSμCT at different resolutions were evaluated using linear regression analysis. Significant correlations were observed between TBSμCT and 3D microarchitecture parameters, regardless of the resolution. Correlations were detected that were strongly to intermediately positive for connectivity density (0.711≤r(2)≤0.752) and trabecular number (0.584≤r(2)≤0.648) and negative for trabecular space (-0.407 ≤r(2)≤-0.491), up to a pixel size of 1023μm. In addition, TBSμCT values were strongly correlated between each other (0.77≤r(2)≤0.96). Study results show that the correlations between TBSμCT at 93μm and 3D microarchitecture parameters are weakly impacted by the degradation of image resolution and the presence of noise.

Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.