L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Non-invasive investigation of the response to oxidative stress in living cardiomyocytes by studying mitochondrial NAD(P)H

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Validation in-vivo des techniques d’élastographie ultrasonore, invasive et non-invasive, à l’aide d’un modèle porcin

Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

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.

Non invasive classification system of scoliosis curve types using least-squares support vector machines

Objective To determine scoliosis curve types using non invasive surface acquisition, without prior knowledge from X-ray data. Methods Classification of scoliosis deformities according to curve type is used in the clinical management of scoliotic patients. In this work, we propose a robust system that can determine the scoliosis curve type from non invasive acquisition of the 3D back surface of the patients. The 3D image of the surface of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the back surface are computed from each patch and constitute the features. We reduce the dimensionality by using principal component analysis and retain 53 components using an overlap criterion combined with the total variance in the observed variables. In this work, a multi-class classifier is built with least-squares support vector machines (LS-SVM). The original LS-SVM formulation was modified by weighting the positive and negative samples differently and a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier. The proposed system is validated using data from 165 patients with different scoliosis curve types. The results of our non invasive classification were compared with those obtained by an expert using X-ray images. Results The average rate of successful classification was computed using a leave-one-out cross-validation procedure. The overall accuracy of the system was 95%. As for the correct classification rates per class, we obtained 96%, 84% and 97% for the thoracic, double major and lumbar/thoracolumbar curve types, respectively. Conclusion This study shows that it is possible to find a relationship between the internal deformity and the back surface deformity in scoliosis with machine learning methods. The proposed system uses non invasive surface acquisition, which is safe for the patient as it involves no radiation. Also, the design of a specific kernel improved classification performance.

Statistical model based 3D shape prediction of postoperative trunks for non-invasive scoliosis surgery planning

One of the major concerns of scoliosis patients undergoing surgical treatment is the aesthetic aspect of the surgery outcome. It would be useful to predict the postoperative appearance of the patient trunk in the course of a surgery planning process in order to take into account the expectations of the patient. In this paper, we propose to use least squares support vector regression for the prediction of the postoperative trunk 3D shape after spine surgery for adolescent idiopathic scoliosis. Five dimensionality reduction techniques used in conjunction with the support vector machine are compared. The methods are evaluated in terms of their accuracy, based on the leave-one-out cross-validation performed on a database of 141 cases. The results indicate that the 3D shape predictions using a dimensionality reduction obtained by simultaneous decomposition of the predictors and response variables have the best accuracy.

Towards Non Invasive Diagnosis of Scoliosis Using Semi-supervised Learning Approach

In this paper, a new methodology for the prediction of scoliosis curve types from non invasive acquisitions of the back surface of the trunk is proposed. One hundred and fifty-nine scoliosis patients had their back surface acquired in 3D using an optical digitizer. Each surface is then characterized by 45 local measurements of the back surface rotation. Using a semi-supervised algorithm, the classifier is trained with only 32 labeled and 58 unlabeled data. Tested on 69 new samples, the classifier succeeded in classifying correctly 87.0% of the data. After reducing the number of labeled training samples to 12, the behavior of the resulting classifier tends to be similar to the reference case where the classifier is trained only with the maximum number of available labeled data. Moreover, the addition of unlabeled data guided the classifier towards more generalizable boundaries between the classes. Those results provide a proof of feasibility for using a semi-supervised learning algorithm to train a classifier for the prediction of a scoliosis curve type, when only a few training data are labeled. This constitutes a promising clinical finding since it will allow the diagnosis and the follow-up of scoliotic deformities without exposing the patient to X-ray radiations.

Non-invasive quantitative assessment of scoliosis spinal surgery outcome

Improving the appearance of the trunk is an important goal of scoliosis surgical treatment, mainly in patients' eyes. Unfortunately, existing methods for assessing postoperative trunk appearance are rather subjective as they rely on a qualitative evaluation of the trunk shape. In this paper, an objective method is proposed to quantify the changes in trunk shape after surgery. Using a non-invasive optical system, the whole trunk surface is acquired and reconstructed in 3D. Trunk shape is described by two functional measurements spanning the trunk length: the lateral deviation and the axial rotation. To measure the pre and postoperative differences, a correction rate is computed for both measurements. On a cohort of 36 scoliosis patients with the same spinal curve type who underwent the same surgical approach, surgery achieved a very good correction of the lateral trunk deviation (median correction of 76%) and a poor to moderate correction of the back axial rotation (median correction of 19%). These results demonstrate that after surgery, patients are still confronted with residual trunk deformity, mainly a persisting hump on the back. That can be explained by the fact that current scoliosis assessment and treatment planning are based solely on radiographic measures of the spinal deformity and do not take trunk deformity into consideration. It is believed that with our novel quantitative trunk shape descriptor, clinicians and surgeons can now objectively assess trunk deformity and postoperative shape and propose new treatment strategies that could better address patients' concern about their appearance. © (2013) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Non-Invasive Prenatal Testing: Review of Ethical, Legal and Social Implications

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Non-invasive Studies on Age Related Parameters Using a Blood Volume Pulse Sensor

A non-invasive technique is implemented to measure a parameter which is closely related to the distensibility of large arteries, using the second derivative of the infrared photoplethysmographic waveform. Thirty subjects within the age group of 20-61 years were involved in this pilot study. Two new parameters, namely the area of the photoplethysmographic waveform under the systolic peak, and the ratio of the time delay between the systolic and the diastolic peaks and the time period of the waveform ( T/T) were studied as a function of age. It was found that while the parameter which is supposed to be a marker of distensibility of large arteries and T /T values correlate negatively with age, the area under the systolic peak correlates positively with age. The results suggest that the derived parameters could provide a simple, non-invasive means for studying the changes in the elastic properties of the vascular system as a function of age.

A calibrated, non-invasive method for measuring the internal interface height field at high resolution in the rotating, two-layer annulus

We describe a remote sensing method for measuring the internal interface height field in a rotating, two-layer annulus laboratory experiment. The method is non-invasive, avoiding the possibility of an interaction between the flow and the measurement device. The height fields retrieved are accurate and highly resolved in both space and time. The technique is based on a flow visualization method developed by previous workers, and relies upon the optical rotation properties of the working liquids. The previous methods returned only qualitative interface maps, however. In the present study, a technique is developed for deriving quantitative maps by calibrating height against the colour fields registered by a camera which views the flow from above. We use a layer-wise torque balance analysis to determine the equilibrium interface height field analytically, in order to derive the calibration curves. With the current system, viewing an annulus of outer radius 125 mm and depth 250 mm from a distance of 2 m, the inferred height fields have horizontal, vertical and temporal resolutions of up to 0.2 mm, 1 mm and 0.04 s, respectively.

Fecal water as a non-invasive biomarker in nutritional intervention: comparison of preparation methods and refinement of different endpoints

The assessment of cellular effects by the aqueous phase of human feces (fecal water, FW) is a useful biomarker approach to study cancer risks and protective activities of food. In order to refine and develop the biomarker, different protocols of preparing FW were compared. Fecal waters were prepared by 3 methods: (A) direct centrifugation; (B) extraction of feces in PBS before centrifugation; and (C) centrifugation of lyophilized and reconstituted feces. Genotoxicity was determined in colon cells using the Comet assay. Selected samples were investigated for additional parameters related to carcinogenesis. Two of 7 FWs obtained by methods A and B were similarly genotoxic. Method B, however, yielded higher volumes of FW, allowing sterile filtration for long-term culture experiments. Four of 7 samples were non-genotoxic when prepared according to all 3 methods. FW from lyophilized feces and from fresh samples were equally genotoxic. FWs modulated cytotoxicity, paracellular permeability, and invasion, independent of their genotoxicity. All 3 methods of FW preparation can be used to assess genotoxicity. The higher volumes of FWobtained by preparation method B greatly enhance the perspectives of measuring different types of biological parameters and using these to disclose activities related to cancer development.

Non-invasive strategy in assessing asthma through biofluids metabolomics exploration: exhaled breath and urine potentialities

Asthma is a significant health issue in the pediatric population with a noteworthy growth over the years. The proposed challenge for this PhD thesis was the development of advanced methodologies to establish metabolomic patterns in urine and exhaled breath associated with asthma whose applicability was subsequently exploited to evaluate the disease state, the therapy adhesion and effect and for diagnostic purposes. The volatile composition of exhaled breath was studied combining headspace solid phase microextraction (HS-SPME) with gas chromatography coupled to mass spectrometry or with comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled to mass spectrometry with a high resolution time of flight analyzer (GC×GC–ToFMS). These methodologies allowed the identification of several hundred compounds from different chemical families. Multivariate analysis (MVA) led to the conclusion that the metabolomic profile of asthma individuals is characterized by higher levels of compounds associated with lipid peroxidation, possibly linked to oxidative stress and inflammation (alkanes and aldehydes) known to play an important role in asthma. For future applications in clinical settings a set of nine compounds was defined and the clinical applicability was proven in monitoring the disease status and in the evaluation of the effect and / or adherence to therapy. The global volatile metabolome of urine was also explored using an HSSPME/GC×GC–ToFMS method and c.a. 200 compounds were identified. A targeted analysis was performed, with 78 compounds related with lipid peroxidation and consequently to oxidative stress levels and inflammation. The urinary non-volatile metabolomic pattern of asthma was established using proton nuclear magnetic resonance (1H NMR). This analysis allowed identifying central metabolic pathways such as oxidative stress, amino acid and lipid metabolism, gut microflora alterations, alterations in the tricarboxylic acid (TCA) cycle, histidine metabolism, lactic acidosis, and modification of free tyrosine residues after eosinophil stimulation. The obtained results allowed exploring and demonstrating the potential of analyzing the metabolomic profile of exhaled air and urine in asthma. Besides the successful development of analysis methodologies, it was possible to explore through exhaled air and urine biochemical pathways affected by asthma, observing complementarity between matrices, as well as, verify the clinical applicability.