Flow targeted 3D steady-state free-precession coronary MR angiography: comparison of three different imaging approaches.

PURPOSE: To compare 3 different flow targeted magnetization preparation strategies for coronary MR angiography (cMRA), which allow selective visualization of the vessel lumen. MATERIAL AND METHODS: The right coronary artery of 10 healthy subjects was investigated on a 1.5 Tesla MR system (Gyroscan ACS-NT, Philips Healthcare, Best, NL). A navigator-gated and ECG-triggered 3D radial steady-state free-precession (SSFP) cMRA sequence with 3 different magnetization preparation schemes was performed referred to as projection SSFP (selective labeling of the aorta, subtraction of 2 data sets), LoReIn SSFP (double-inversion preparation, selective labeling of the aorta, 1 data set), and inflow SSFP (inversion preparation, selective labeling of the coronary artery, 1 data set). Signal-to-noise ratio (SNR) of the coronary artery and aorta, contrast-to-noise ratio (CNR) between the coronary artery and epicardial fat, vessel length and vessel sharpness were analyzed. RESULTS: All cMRA sequences were successfully obtained in all subjects. Both projection SSFP and LoReIn SSFP allowed for selective visualization of the coronary arteries with excellent background suppression. Scan time was doubled in projection SSFP because of the need for subtraction of 2 data sets. In inflow SSFP, background suppression was limited to the tissue included in the inversion volume. Projection SSFP (SNR(coro): 25.6 +/- 12.1; SNR(ao): 26.1 +/- 16.8; CNR(coro-fat): 22.0 +/- 11.7) and inflow SSFP (SNR(coro): 27.9 +/- 5.4; SNR(ao): 37.4 +/- 9.2; CNR(coro-fat): 24.9 +/- 4.8) yielded significantly increased SNR and CNR compared with LoReIn SSFP (SNR(coro): 12.3 +/- 5.4; SNR(ao): 11.8 +/- 5.8; CNR(coro-fat): 9.8 +/- 5.5; P < 0.05 for both). Longest visible vessel length was found with projection SSFP (79.5 mm +/- 18.9; P < 0.05 vs. LoReIn) whereas vessel sharpness was best in inflow SSFP (68.2% +/- 4.5%; P < 0.05 vs. LoReIn). Consistently good image quality was achieved using inflow SSFP likely because of the simple planning procedure and short scanning time. CONCLUSION: Three flow targeted cMRA approaches are presented, which provide selective visualization of the coronary vessel lumen and in addition blood flow information without the need of contrast agent administration. Inflow SSFP yielded highest SNR, CNR and vessel sharpness and may prove useful as a fast and efficient approach for assessing proximal and mid vessel coronary blood flow, whereas requiring less planning skills than projection SSFP or LoReIn SSFP.

CT-guided cervical foraminal injection: Is a direct foraminal approach still necessary?

Purpose: Cervical foraminal injection performed with a direct foraminal approach may induce serious neurologic complications. We describe a technique of CT-guided cervical facet joint (CFJ) injection as an indirect foraminal injection, including feasibility and diffusion pathways of the contrast agent. Methods and materials: Retrospective study included 84 punctures in 65 consecutive patients presenting neck pain and/or radiculopathy related to osteoarthritis or soft disc herniation. CT images were obtained from C2 to T1 in supine position, with a metallic landmark on the skin. CFJ punctures were performed by MSK senior radiologists with a lateral approach. CT control of the CFJ opacification was performed after injections of contrast agent (1 ml), followed by slow-acting corticosteroid (25 mg). CFJ opacification was considered as successful when joint space and/or capsular recess opacification occurred. The diffusion of contrast agent in foraminal and epidural spaces was recorded. We assessed the epidural diffusion both on axial and sagittal images, with a classification in two groups (small diffusion or large diffusion). Results: CFJ opacification was successful in 82% (69/84). An epidural and/or foraminal opacification was obtained in 74% (51/69). A foraminal opacification occurred in 92% (47/51) and an epidural opacification in 63% (32/51), with small diffusion in 47% (15/32) and large diffusion in 53% (17/32). No complication occurred. Conclusion: CT- guided CFJ injection is easy to perform and safe. It is most often successful, with a frequent epidural and/or foraminal diffusion of the contrast agent. This technique could be an interesting and safe alternative to foraminal cervical injection.

Cervical radiculopathy: Efficiency of CT-guided cervical facet joint corticosteroid injection : 47

Purpose: Cervical foraminal injection performed with a direct approach of the foramen may induce serious neurologic complications. Cervical facet joint (CFJ) injections are easier to perform and safe, and may diffuse in the epidural and foraminal spaces. We analyzed the efficiency and tolerance of CT-guided CFJ slow-acting corticosteroid injection in patients with radiculopathy related to disc herniation. Methods and materials: Pilot study included 17 patients presenting typical cervical radiculopathy related to disc herniation without relief of pain after medical treatment (one month duration). CFJ puncture was performed under CT guidance with a lateral approach. CT control of the CFJ opacification was performed after injections of contrast agent (1 ml), followed by slow-acting corticosteroid (25 mg). Main criteria for judgment was pain relief one month later (delta visual analogical scale VAS for 0 to 100 mm). Diffusion of iodinated contrast agent in the foramen was assessed by two radiologists in consensus. Results: Pain relief was significant at one month (delta VAS 22 ± 23 mm, p = 0.001) and 41% (7/17) of patients had pain relief more than 50%. In cases with foraminal diffusion, pain relief more than 50% occured in 5 patients (50%) and only in 2 patients (29%) in cases without foraminal diffusion. No complication occurred. Conclusion: CT-guided CFJ slow-acting corticosteroid injection is safe and provided good results at one month follow-up. It may be considered as an interesting percutaneous treatment in patients suffering from cervical radicular pain related to disc herniation.

Techniques for CT and MR, post-processing, radiation.

Brain perfusion can be assessed by CT and MR. For CT, two major techniquesare used. First, Xenon CT is an equilibrium technique based on a freely diffusibletracer. First pass of iodinated contrast injected intravenously is a second method,more widely available. Both methods are proven to be robust and quantitative,thanks to the linear relationship between contrast concentration and x-ray attenuation.For the CT methods, concern regarding x-ray doses delivered to the patientsneed to be addressed. MR is also able to assess brain perfusion using the firstpass of gadolinium based contrast agent injected intravenously. This method hasto be considered as a semi-quantitative because of the non linear relationshipbetween contrast concentration and MR signal changes. Arterial spin labelingis another MR method assessing brain perfusion without injection of contrast. Insuch case, the blood flow in the carotids is magnetically labelled by an externalradiofrequency pulse and observed during its first pass through the brain. Eachof this various CT and MR techniques have advantages and limits that will be illustratedand summarised.Learning Objectives:1. To understand and compare the different techniques for brain perfusionimaging.2. To learn about the methods of acquisition and post-processing of brainperfusion by first pass of contrast agent for CT and MR.3. To learn about non contrast MR methods (arterial spin labelling).

Two-step postmortem angiography with a modified heart-lung machine: preliminary results.

OBJECTIVE: The purpose of this study was to adapt and improve a minimally invasive two-step postmortem angiographic technique for use on human cadavers. Detailed mapping of the entire vascular system is almost impossible with conventional autopsy tools. The technique described should be valuable in the diagnosis of vascular abnormalities. MATERIALS AND METHODS: Postmortem perfusion with an oily liquid is established with a circulation machine. An oily contrast agent is introduced as a bolus injection, and radiographic imaging is performed. In this pilot study, the upper or lower extremities of four human cadavers were perfused. In two cases, the vascular system of a lower extremity was visualized with anterograde perfusion of the arteries. In the other two cases, in which the suspected cause of death was drug intoxication, the veins of an upper extremity were visualized with retrograde perfusion of the venous system. RESULTS: In each case, the vascular system was visualized up to the level of the small supplying and draining vessels. In three of the four cases, vascular abnormalities were found. In one instance, a venous injection mark engendered by the self-administration of drugs was rendered visible by exudation of the contrast agent. In the other two cases, occlusion of the arteries and veins was apparent. CONCLUSION: The method described is readily applicable to human cadavers. After establishment of postmortem perfusion with paraffin oil and injection of the oily contrast agent, the vascular system can be investigated in detail and vascular abnormalities rendered visible.

Surgical interventions with fatal outcome: Utility of multi-phase postmortem CT angiography

Cases of fatal outcome after surgical intervention are autopsied to determine the cause of death and to investigate whether medical error caused or contributed to the death. For medico-legal purposes, it is imperative that autopsy findings are documented clearly. Modern imaging techniques such as multi-detector computed tomography (MDCT) and postmortem CT angiography, which is used for vascular system imaging, are useful tools for determining cause of death. The aim of this study was to determine the utility of postmortem CT angiography for the medico-legal death investigation. This study investigated 10 medico-legal cases with a fatal outcome after surgical intervention using multi-phase postmortem whole body CT angiography. A native CT scan was performed as well as three angiographic phases (arterial, venous, and dynamic) using a Virtangio((R)) perfusion device and the oily contrast agent, Angiofil((R)). The results of conventional autopsy were compared to those from the radiological investigations. We also investigated whether the radiological findings affected the final interpretation of cause-of-death. Causes of death were hemorrhagic shock, intracerebral hemorrhage, septic shock, and a combination of hemorrhage and blood aspiration. The diagnoses were made by conventional autopsy as well as by postmortem CT angiography. Hemorrhage played an important role in eight of ten cases. The radiological exam revealed the exact source of bleeding in seven of the eight cases, whereas conventional autopsy localized the source of bleeding only generally in five of the seven cases. In one case, neither conventional autopsy nor CT angiography identified the source of hemorrhage. We conclude that postmortem CT angiography is extremely useful for investigating deaths following surgical interventions. This technique helps document autopsy findings and allows a second examination if it is needed; specifically, it detects and visualizes the sources of hemorrhages in detail, which is often of particular interest in such cases.

Postmortem magnetic resonance imaging of the heart ex situ: development of technical protocols.

Postmortem MRI (PMMR) examinations are seldom performed in legal medicine due to long examination times, unfamiliarity with the technique, and high costs. Furthermore, it is difficult to obtain access to an MRI device used for patients in clinical settings to image an entire human body. An alternative is available: ex situ organ examination. To our knowledge, there is no standardized protocol that includes ex situ organ preparation and scanning parameters for postmortem MRI. Thus, our objective was to develop a standard procedure for ex situ heart PMMR examinations. We also tested the oily contrast agent Angiofil® commonly used for PMCT angiography, for its applicability in MRI. We worked with a 3 Tesla MRI device and 32-channel head coils. Twelve porcine hearts were used to test different materials to find the best way to prepare and place organs in the device and to test scanning parameters. For coronary MR angiography, we tested different mixtures of Angiofil® and different injection materials. In a second step, 17 human hearts were examined to test the procedure and its applicability to human organs. We established two standardized protocols: one for preparation of the heart and another for scanning parameters based on experience in clinical practice. The established protocols enabled a standardized technical procedure with comparable radiological images, allowing for easy radiological reading. The performance of coronary MR angiography enabled detailed coronary assessment and revealed the utility of Angiofil® as a contrast agent for PMMR. Our simple, reproducible method for performing heart examinations ex situ yields high quality images and visualization of the coronary arteries.

Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.

Erratum of initial paper: Postmortem computed tomography angiography vs. conventional autopsy: advantages and inconveniences of each method.

PURPOSE: Postmortem computed tomography angiography (PMCTA) was introduced into forensic investigations a few years ago. It provides reliable images that can be consulted at any time. Conventional autopsy remains the reference standard for defining the cause of death, but provides only limited possibility of a second examination. This study compares these two procedures and discusses findings that can be detected exclusively using each method. MATERIALS AND METHODS: This retrospective study compared radiological reports from PMCTA to reports from conventional autopsy for 50 forensic autopsy cases. Reported findings from autopsy and PMCTA were extracted and compared to each other. PMCTA was performed using a modified heart-lung machine and the oily contrast agent Angiofil® (Fumedica AG, Muri, Switzerland). RESULTS: PMCTA and conventional autopsy would have drawn similar conclusions regarding causes of death. Nearly 60 % of all findings were visualized with both techniques. PMCTA demonstrates a higher sensitivity for identifying skeletal and vascular lesions. However, vascular occlusions due to postmortem blood clots could be falsely assumed to be vascular lesions. In contrast, conventional autopsy does not detect all bone fractures or the exact source of bleeding. Conventional autopsy provides important information about organ morphology and remains the only way to diagnose a vital vascular occlusion with certitude. CONCLUSION: Overall, PMCTA and conventional autopsy provide comparable findings. However, each technique presents advantages and disadvantages for detecting specific findings. To correctly interpret findings and clearly define the indications for PMCTA, these differences must be understood.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

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.

Abdominal aortic aneurysm follow-up after endovascular repair in a canine model with non-invasive vascular elastography

Le traitement chirurgical des anévrismes de l'aorte abdominale est de plus en plus remplacé par la réparation endovasculaire de l’anévrisme (« endovascular aneurysm repair », EVAR) en utilisant des endoprothèses (« stent-grafts », SGs). Cependant, l'efficacité de cette approche moins invasive est compromise par l'incidence de l'écoulement persistant dans l'anévrisme, appelé endofuites menant à une rupture d'anévrisme si elle n'est pas détectée. Par conséquent, une surveillance de longue durée par tomodensitométrie sur une base annuelle est nécessaire ce qui augmente le coût de la procédure EVAR, exposant le patient à un rayonnement ionisants et un agent de contraste néphrotoxique. Le mécanisme de rupture d'anévrisme secondaire à l'endofuite est lié à une pression du sac de l'anévrisme proche de la pression systémique. Il existe une relation entre la contraction ou l'expansion du sac et la pressurisation du sac. La pressurisation résiduelle de l'anévrisme aortique abdominale va induire une pulsation et une circulation sanguine à l'intérieur du sac empêchant ainsi la thrombose du sac et la guérison de l'anévrisme. L'élastographie vasculaire non-invasive (« non-invasive vascular elastography », NIVE) utilisant le « Lagrangian Speckle Model Estimator » (LSME) peut devenir une technique d'imagerie complémentaire pour le suivi des anévrismes après réparation endovasculaire. NIVE a la capacité de fournir des informations importantes sur l'organisation d'un thrombus dans le sac de l'anévrisme et sur la détection des endofuites. La caractérisation de l'organisation d'un thrombus n'a pas été possible dans une étude NIVE précédente. Une limitation de cette étude était l'absence d'examen tomodensitométrique comme étalon-or pour le diagnostic d'endofuites. Nous avons cherché à appliquer et optimiser la technique NIVE pour le suivi des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) après EVAR avec endoprothèse dans un modèle canin dans le but de détecter et caractériser les endofuites et l'organisation du thrombus. Des SGs ont été implantés dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé dans l'aorte abdominale. Des endofuites de type I ont été créés dans 4 anévrismes, de type II dans 13 anévrismes tandis qu’un anévrisme n’avait aucune endofuite. L'échographie Doppler (« Doppler ultrasound », DUS) et les examens NIVE ont été réalisés avant puis à 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après l’EVAR. Une angiographie, une tomodensitométrie et des coupes macroscopiques ont été réalisées au moment du sacrifice. Les valeurs de contrainte ont été calculées en utilisant l`algorithme LSME. Les régions d'endofuite, de thrombus frais (non organisé) et de thrombus solide (organisé) ont été identifiées et segmentées en comparant les résultats de la tomodensitométrie et de l’étude macroscopique. Les valeurs de contrainte dans les zones avec endofuite, thrombus frais et organisé ont été comparées. Les valeurs de contrainte étaient significativement différentes entre les zones d'endofuites, les zones de thrombus frais ou organisé et entre les zones de thrombus frais et organisé. Toutes les endofuites ont été clairement caractérisées par les examens d'élastographie. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les valeurs de contrainte et le type d'endofuite, la pression de sac, la taille des endofuites et la taille de l'anévrisme.

Segmentation du rein fonctionnel à partir de CTdouble énergie injectés

Les néphropaties (maladie des tissus rénaux) postradiques constituent l'un des facteurs limitants pour l'élaboration des plans de traitement lors des radiothérapies abdominales. Le processus actuel, qui consiste à évaluer la fonctionnalité relative des reins grâce à une scintigraphie gamma deux dimensions, ne permet pas d'identifier les portions fonctionnelles qui pourraient être évitées lors de l' élaboration des plans de traitement. Une méthode permettant de cartographier la fonctionnalité rénale en trois dimensions et d'extraire un contour fonctionnel utilisable lors de la planification a été développée à partir de CT double énergie injectés à l'iode. La concentration en produit de contraste est considérée reliée à la fonctionnalité rénale. La technique utilisée repose sur la décomposition à trois matériaux permettant de reconstruire des images en concentration d'iode. Un algorithme de segmentation semi-automatisé basé sur la déformation hiérarchique et anamorphique de surfaces permet ensuite d'extraire le contour fonctionnel des reins. Les premiers résultats obtenus avec des images patient démontrent qu'une utilisation en clinique est envisageable et pourra être bénéfique.

Fluorescent Superparamagnetic Iron Oxide Core–Shell Nanoprobes for Multimodal Cellular Imaging

Multimodal imaging agents that combine magnetic and fluorescent imaging capabilities are desirable for the high spatial and temporal resolution. In the present work, we report the synthesis of multifunctional fluorescent ferrofluids using iron oxide as the magnetic core and rhodamine B as fluorochrome shell. The core–shell structure was designed in such a way that fluorescence quenching due to the inner magnetic core was minimized by an intermediate layer of silica. The intermediate passive layer of silica was realized by a novel method which involves the esterification reaction between the epoxy group of prehydrolysed 3-Glyidoxypropyltrimethoxysilane and the surfactant over iron oxide. The as-synthesized ferrofluids have a high saturation magnetization in the range of 62–65 emu/g and were found to emit light of wavelength 640 nm ( excitation = 446 nm). Time resolved life time decay analysis showed a bi-exponential decay pattern with an increase in the decay life time in the presence of intermediate silica layer. Cytotoxicity studies confirmed the cell viability of these materials. The in vitro MRI imaging illustrated a high contrast when these multimodal nano probes were employed and the R2 relaxivity of these ∗Author to whom correspondence should be addressed. Email: smissmis@gmail.com sample was found to be 334 mM−1s−1 which reveals its high potential as a T2 contrast enhancing agent

Factores asociados a complicaciones post quirúrgicas en pacientes adultos con obstrucción intestinal mecánica en Bogotá, Colombia, período 2008 - 2014

Introducción: La obstrucción intestinal es una patología de alta prevalencia e impacto en los servicios de cirugía general a nivel mundial. El manejo de esta entidad puede ser médico o quirúrgico. Cuando se requiere intervención quirúrgica, se busca evitar el desarrollo de isquemia intestinal y resecciones intestinales; durante el postoperatorio, pueden existir complicaciones. El objetivo de este estudio es identificar los factores asociados al desarrollo de complicaciones post operatorias en un grupo de pacientes con obstrucción intestinal mecánica llevados a manejo quirúrgico. Metodología: Estudio analítico tipo casos y controles en un grupo de pacientes con diagnóstico de obstrucción intestinal mecánica llevados a manejo quirúrgico de su patología. Los casos corresponden a los pacientes con complicaciones postoperatorias y los controles aquellos que no presentaron complicaciones. Se identificaron factores asociados a complicación post operatoria mediante modelos estadísticos bivariados y multivariados de regresión logística para factores como edad, sexo, antecedente quirúrgico, presentación clínica, paraclínica y diagnóstico postoperatorio de malignidad, entre otras. Resultados: Se identificaron un total de 138 pacientes (54 casos y 129 controles). Los rangos de edad entre 55-66 años y mayor de 66 años fueron asociados con complicaciones postoperatorias (OR 3,87 IC95% 1,58-9,50 y OR 3,62 IC95% 1,45-9,08 respectivamente). El déficit de base inferior a 5 mEq/litro se relaciona con complicaciones postoperatorias (OR 2,64 IC95% 1.33-5,25) Otras pruebas de laboratorio, características radiológicas, hallazgos de malignidad en el postoperatorio y la evolución de los pacientes no fueron asociados con complicaciones. Conclusiones: Las disminución de las complicaciones durante el manejo quirúrgico de obstrucción intestinal mecánica continúa siendo un reto para la cirugía general. Factores no modificables como edad avanzada y modificables como el equilibrio ácido base deben ser tenidos en cuenta dada su correlación en el desarrollo de complicaciones postoperatorias.