Fluorescence-enhanced optical imaging on three-dimensional phantoms using a hand-held probe based frequency-domain intensified charge coupled device (ICCD) optical imager

Fluorescence-enhanced optical imaging is an emerging non-invasive and non-ionizing modality towards breast cancer diagnosis. Various optical imaging systems are currently available, although most of them are limited by bulky instrumentation, or their inability to flexibly image different tissue volumes and shapes. Hand-held based optical imaging systems are a recent development for its improved portability, but are currently limited only to surface mapping. Herein, a novel optical imager, consisting primarily of a hand-held probe and a gain-modulated intensified charge coupled device (ICCD) detector, is developed towards both surface and tomographic breast imaging. The unique features of this hand-held probe based optical imager are its ability to; (i) image large tissue areas (5×10 sq. cm) in a single scan, (ii) reduce overall imaging time using a unique measurement geometry, and (iii) perform tomographic imaging for tumor three-dimensional (3-D) localization. Frequency-domain based experimental phantom studies have been performed on slab geometries (650 ml) under different target depths (1-2.5 cm), target volumes (0.45, 0.23 and 0.10 cc), fluorescence absorption contrast ratios (1:0, 1000:1 to 5:1), and number of targets (up to 3), using Indocyanine Green (ICG) as fluorescence contrast agents. An approximate extended Kalman filter based inverse algorithm has been adapted towards 3-D tomographic reconstructions. Single fluorescence target(s) was reconstructed when located: (i) up to 2.5 cm deep (at 1:0 contrast ratio) and 1.5 cm deep (up to 10:1 contrast ratio) for 0.45 cc-target; and (ii) 1.5 cm deep for target as small as 0.10 cc at 1:0 contrast ratio. In the case of multiple targets, two targets as close as 0.7 cm were tomographically resolved when located 1.5 cm deep. It was observed that performing multi-projection (here dual) based tomographic imaging using a priori target information from surface images, improved the target depth recovery over using single projection based imaging. From a total of 98 experimental phantom studies, the sensitivity and specificity of the imager was estimated as 81-86% and 43-50%, respectively. With 3-D tomographic imaging successfully demonstrated for the first time using a hand-held based optical imager, the clinical translation of this technology is promising upon further experimental validation from in-vitro and in-vivo studies.

Machine Learning-based Techniques to Address Spectral Distortions in Photon Counting X-ray Computed Tomography

Spectral CT using a photon counting x-ray detector (PCXD) shows great potential for measuring material composition based on energy dependent x-ray attenuation. Spectral CT is especially suited for imaging with K-edge contrast agents to address the otherwise limited contrast in soft tissues. We have developed a micro-CT system based on a PCXD. This system enables full spectrum CT in which the energy thresholds of the PCXD are swept to sample the full energy spectrum for each detector element and projection angle. Measurements provided by the PCXD, however, are distorted due to undesirable physical eects in the detector and are very noisy due to photon starvation. In this work, we proposed two methods based on machine learning to address the spectral distortion issue and to improve the material decomposition. This rst approach is to model distortions using an articial neural network (ANN) and compensate for the distortion in a statistical reconstruction. The second approach is to directly correct for the distortion in the projections. Both technique can be done as a calibration process where the neural network can be trained using 3D printed phantoms data to learn the distortion model or the correction model of the spectral distortion. This replaces the need for synchrotron measurements required in conventional technique to derive the distortion model parametrically which could be costly and time consuming. The results demonstrate experimental feasibility and potential advantages of ANN-based distortion modeling and correction for more accurate K-edge imaging with a PCXD. Given the computational eciency with which the ANN can be applied to projection data, the proposed scheme can be readily integrated into existing CT reconstruction pipelines.

Photoacoustic tomography: principles and advances.

Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging imaging modality that shows great potential for preclinical research and clinical practice. As a hybrid technique, PAT is based on the acoustic detection of optical absorption from either endogenous chromophores, such as oxy-hemoglobin and deoxy-hemoglobin, or exogenous contrast agents, such as organic dyes and nanoparticles. Because ultrasound scatters much less than light in tissue, PAT generates high-resolution images in both the optical ballistic and diffusive regimes. Over the past decade, the photoacoustic technique has been evolving rapidly, leading to a variety of exciting discoveries and applications. This review covers the basic principles of PAT and its different implementations. Strengths of PAT are highlighted, along with the most recent imaging results.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Assessing microvascular function with breathing maneuvers : an oxygenation-sensitive CMR study

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale.

Estimating glomerular filtration rate in kidney transplantation: Still searching for the best marker

Kidney transplantation is the treatment of choice for end-stage renal disease. The evaluation of graft function is mandatory in the management of renal transplant recipients. Glomerular filtration rate (GFR), is generally considered the best index of graft function and also a predictor of graft and patient survival. However GFR measurement using inulin clearance, the gold standard for its measurement and exogenous markers such as radiolabeled isotopes ((51)Cr EDTA, (99m)Tc DTPA or (125)I Iothalamate) and non-radioactive contrast agents (Iothalamate or Iohexol), is laborious as well as expensive, being rarely used in clinical practice. Therefore, endogenous markers, such as serum creatinine or cystatin C, are used to estimate kidney function, and equations using these markers adjusted to other variables, mainly demographic, are an attempt to improve accuracy in estimation of GFR (eGFR). Nevertheless, there is some concern about the inability of the available eGFR equations to accurately identify changes in GFR, in kidney transplant recipients. This article will review and discuss the performance and limitations of these endogenous markers and their equations as estimators of GFR in the kidney transplant recipients, and their ability in predicting significant clinical outcomes.

Are iron oxide nanoparticles safe? Current knowledge and future perspectives

Due to their unique physicochemical properties, including superparamagnetism, iron oxide nanoparticles (ION) have a number of interesting applications, especially in the biomedical field, that make them one of the most fascinating nanomaterials. They are used as contrast agents for magnetic resonance imaging, in targeted drug delivery, and for induced hyperthermia cancer treatments. Together with these valuable uses, concerns regarding the onset of unexpected adverse health effects following exposure have been also raised. Nevertheless, despite the numerous ION purposes being explored, currently available information on their potential toxicity is still scarce and controversial data have been reported. Although ION have traditionally been considered as biocompatible - mainly on the basis of viability tests results - influence of nanoparticle surface coating, size, or dose, and of other experimental factors such as treatment time or cell type, has been demonstrated to be important for ION in vitro toxicity manifestation. In vivo studies have shown distribution of ION to different tissues and organs, including brain after passing the blood-brain barrier; nevertheless results from acute toxicity, genotoxicity, immunotoxicity, neurotoxicity and reproductive toxicity investigations in different animal models do not provide a clear overview on ION safety yet, and epidemiological studies are almost inexistent. Much work has still to be done to fully understand how these nanomaterials interact with cellular systems and what, if any, potential adverse health consequences can derive from ION exposure.

Padrões de captação de constraste do útero TC e RM

Ao contrário da ecografia e da ressonância magnética (RM), a tomografia computadorizada (TC) não é uma técnica de primeira linha no estudo da patologia pélvica feminina. Contudo, a TC é frequentemente utilizada na avaliação de patologia pélvica não ginecológica, nomeadamente em contexto de urgência ou de seguimento, na qual os órgãos ginecológicos são englobados. Nestas situações, o padrão de captação de contraste endovenoso pelo corpo e colo do útero na TC pode ser de difícil interpretação e por vezes simular patologia, dado o amplo espectro de padrões de captação de contraste endovenoso, de variantes anatómicas e/ou de patologia subjacente. Neste artigo as autoras revêm e ilustram os padrões de captação de contraste endovenoso pelo útero em TC e RM e possíveis pitfalls, permitindo diferenciar os aspectos normais e patológicos do útero em TC.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Assessing microvascular function with breathing maneuvers : an oxygenation-sensitive CMR study

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale.

Modélisation pharmacocinétique en imagerie par résonance magnétique et en tomographie d’émission par positrons appliquée à un modèle de glioblastome chez le rat

Résumé : En imagerie médicale, il est courant d’associer plusieurs modalités afin de tirer profit des renseignements complémentaires qu’elles fournissent. Par exemple, la tomographie d’émission par positrons (TEP) peut être combinée à l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir à la fois des renseignements sur les processus biologiques et sur l’anatomie du sujet. Le but de ce projet est d’explorer les synergies entre l’IRM et la TEP dans le cadre d’analyses pharmacocinétiques. Plus spécifiquement, d’exploiter la haute résolution spatiale et les renseignements sur la perfusion et la perméabilité vasculaire fournis par l’IRM dynamique avec agent de contraste afin de mieux évaluer ces mêmes paramètres pour un radiotraceur TEP injecté peu de temps après. L’évaluation précise des paramètres de perfusion du radiotraceur devrait permettre de mieux quantifier le métabolisme et de distinguer l’accumulation spécifique et non spécifique. Les travaux ont porté sur deux radiotraceurs de TEP (18F-fluorodésoxyglucose [FDG] et 18F-fluoroéthyle-tyrosine [FET]) ainsi que sur un agent de contraste d’IRM (acide gadopentétique [Gd DTPA]) dans un modèle de glioblastome chez le rat. Les images ont été acquises séquentiellement, en IRM, puis en TEP, et des prélèvements sanguins ont été effectués afin d’obtenir une fonction d’entrée artérielle (AIF) pour chaque molécule. Par la suite, les images obtenues avec chaque modalité ont été recalées et l’analyse pharmacocinétique a été effectuée par régions d’intérêt (ROI) et par voxel. Pour le FDG, un modèle irréversible à 3 compartiments (2 tissus) a été utilisé conformément à la littérature. Pour la FET, il a été déterminé qu’un modèle irréversible à 2 tissus pouvait être appliqué au cerveau et à la tumeur, alors qu’un modèle réversible à 2 tissus convenait aux muscles. La possibilité d’effectuer une conversion d’AIF (sanguine ou dérivée de l’image) entre le Gd DTPA et la FET, ou vice versa, a aussi été étudiée et s’est avérée faisable dans le cas des AIF sanguines obtenues à partir de l’artère caudale, comme c’est le cas pour le FDG. Finalement, l’analyse pharmacocinétique combinée IRM et TEP a relevé un lien entre la perfusion du Gd-DTPA et du FDG, ou de la FET, pour les muscles, mais elle a démontré des disparités importantes dans la tumeur. Ces résultats soulignent la complexité du microenvironnement tumoral (p. ex. coexistence de divers modes de transport pour une même molécule) et les nombreux défis rencontrées lors de sa caractérisation chez le petit animal.

Electrospun Contrast Agent-Loaded Fibers for Colon-Targeted MRI

Magnetic resonance imaging is a diagnostic tool used for detecting abnormal organs and tissues, often using Gd(III) complexes as contrast-enhancing agents. In this work, core–shell polymer fibers have been prepared using coaxial electrospinning, with the intent of delivering gadolinium (III) diethylenetriaminepentaacetate hydrate (Gd(DTPA)) selectively to the colon. The fibers comprise a poly(ethylene oxide) (PEO) core loaded with Gd(DTPA), and a Eudragit S100 shell. They are homogeneous, with distinct core–shell phases. The components in the fibers are dispersed in an amorphous fashion. The proton relaxivities of Gd(DTPA) are preserved after electrospinning. To permit easy visualization of the release of the active ingredient from the fibers, analogous materials are prepared loaded with the dye rhodamine B. Very little release is seen in a pH 1.0 buffer, while sustained release is seen at pH 7.4. The fibers thus have the potential to selectively deliver Gd(DTPA) to the colon. Mucoadhesion studies reveal there are strong adhesive forces between porcine colon mucosa and PEO from the core, and the dye-loaded fibers can be successfully used to image the porcine colon wall. The electrospun core–shell fibers prepared in this work can thus be developed as advanced functional materials for effective imaging of colonic abnormalities.

Improved image contrast of the bone-muscle interface with 3T MRI compared to 1.5T MRI [Abstract]

Virtual 3D models of long bones are increasingly being used for implant design and research applications. The current gold standard for the acquisition of such data is Computed Tomography (CT) scanning. Due to radiation exposure, CT is generally limited to the imaging of clinical cases and cadaver specimens. Magnetic Resonance Imaging (MRI) does not involve ionising radiation and therefore can be used to image selected healthy human volunteers for research purposes. The feasibility of MRI as alternative to CT for the acquisition of morphological bone data of the lower extremity has been demonstrated in recent studies [1, 2]. Some of the current limitations of MRI are long scanning times and difficulties with image segmentation in certain anatomical regions due to poor contrast between bone and surrounding muscle tissues. Higher field strength scanners promise to offer faster imaging times or better image quality. In this study image quality at 1.5T is quantitatively compared to images acquired at 3T. --------- The femora of five human volunteers were scanned using 1.5T and 3T MRI scanners from the same manufacturer (Siemens) with similar imaging protocols. A 3D flash sequence was used with TE = 4.66 ms, flip angle = 15° and voxel size = 0.5 × 0.5 × 1 mm. PA-Matrix and body matrix coils were used to cover the lower limb and pelvis respectively. Signal to noise ratio (SNR) [3] and contrast to noise ratio (CNR) [3] of the axial images from the proximal, shaft and distal regions were used to assess the quality of images from the 1.5T and 3T scanners. The SNR was calculated for the muscle and bone-marrow in the axial images. The CNR was calculated for the muscle to cortex and cortex to bone marrow interfaces, respectively. --------- Preliminary results (one volunteer) show that the SNR of muscle for the shaft and distal regions was higher in 3T images (11.65 and 17.60) than 1.5T images (8.12 and 8.11). For the proximal region the SNR of muscles was higher in 1.5T images (7.52) than 3T images (6.78). The SNR of bone marrow was slightly higher in 1.5T images for both proximal and shaft regions, while it was lower in the distal region compared to 3T images. The CNR between muscle and bone of all three regions was higher in 3T images (4.14, 6.55 and 12.99) than in 1.5T images (2.49, 3.25 and 9.89). The CNR between bone-marrow and bone was slightly higher in 1.5T images (4.87, 12.89 and 10.07) compared to 3T images (3.74, 10.83 and 10.15). These results show that the 3T images generated higher contrast between bone and the muscle tissue than the 1.5T images. It is expected that this improvement of image contrast will significantly reduce the time required for the mainly manual segmentation of the MR images. Future work will focus on optimizing the 3T imaging protocol for reducing chemical shift and susceptibility artifacts.

Application of contrast media in post-mortem imaging (CT and MRI).

The application of contrast media in post-mortem radiology differs from clinical approaches in living patients. Post-mortem changes in the vascular system and the absence of blood flow lead to specific problems that have to be considered for the performance of post-mortem angiography. In addition, interpreting the images is challenging due to technique-related and post-mortem artefacts that have to be known and that are specific for each applied technique. Although the idea of injecting contrast media is old, classic methods are not simply transferable to modern radiological techniques in forensic medicine, as they are mostly dedicated to single-organ studies or applicable only shortly after death. With the introduction of modern imaging techniques, such as post-mortem computed tomography (PMCT) and post-mortem magnetic resonance (PMMR), to forensic death investigations, intensive research started to explore their advantages and limitations compared to conventional autopsy. PMCT has already become a routine investigation in several centres, and different techniques have been developed to better visualise the vascular system and organ parenchyma in PMCT. In contrast, the use of PMMR is still limited due to practical issues, and research is now starting in the field of PMMR angiography. This article gives an overview of the problems in post-mortem contrast media application, the various classic and modern techniques, and the issues to consider by using different media.

[Cost analysis of contrast-enhanced cranial MRI at a German university hospital]

Detailed evaluation and cost analysis of a cranial contrast-enhanced MRI (c-ceMRI) in outpatients, inpatients, patients in an intensive care unit and children under anesthesia.