In vivo monitoring of elastic changes during cancer development and therapeutic treatment
Suivi des propriétés élastiques pendant la croissance et la thérapie du cancer
Résumé
Throughout this PhD thesis, a technique developed at the Institut Langevin called the Supersonic Shear Imaging (SSI) technique, capable of quantifying tissue shear elasticity in real time, was employed for the characterization of biological tissues. Pre-clinical and clinical studies were performed to evaluate the potential of the technique in the monitoring of elastic changes during cancer development and therapeutic treatment. A clinical study was performed on 23 patients presenting breast lesions who underwent chemotherapy treatment at the Institut Curie. The goal of the study was to use for the very first time, 3D-Ultrasound (3D-US) and 3D-Shear Wave Elastography (3D-SWE) during the chemotherapy treatment to estimate tumour volume and tumour global elasticity, respectively. The 3D-US estimated tumour volumes were compared with Magnetic Resonance Imaging (MRI) volume estimations and showed good correlation. The results of the study demonstrated that 3D-SWE allowed the monitoring the tumour reaction to the chemotherapy by offering accurate tumour elasticity measurements in three-dimensions throughout the study. Tumour elasticity was found to be well correlated with the 3D-US and MRI tumour volume estimations. The SSI technique was employed for the monitoring of cancerous tissues, in the frame of two pre-clinical studies performed on nude mice. One of the studies, carried out in collaboration with L'hôpital Européen Georges-Pompidou (HEGP), aimed to understand the pathology underlying stiffness. The SSI technique and US imaging were used to monitor the growth and the reaction to chemotherapy of human carcinomas implanted on mice. The results showed that for this particular tumour model, tumour volume and tumour elasticity were very well correlated. Performed histo-pathological analyses revealed that tumour elasticity also was very well correlated with tumour necrosis and fibrosis. The second pre-clinical study, performed in collaboration with the faculty of Pharmacy of L'Universite Paris V Descartes, intended to evaluate the feasibility of using tissue elasticity to assess the effectiveness of an anti-vascular treatment on a particular type of human colon carcinoma implanted in mice. The results did not show a clear elasticity tendency associated to the treatment. In order to study new additional mechanical parameters (apart from tissue elasticity) which allow a better tissue characterization, a method combining quasi-static axial compressions and the SSI technique was developed to retrieve tissue shear nonlinearity. The first known 2D nonlinearity maps were calculated on tissue mimicking phantoms and on ex-vivo beef liver samples with good accuracy. The fact that the developed technique could be easily implemented on standard imaging probes driven by ultrafast US scanners, make it transferable to clinics.
Au cours de cette thèse une technique d'imagerie ultrasonore nommée "Supersonic Shear Imaging (SSI)", capable de quantifier en temps réel l'élasticité de cisaillement des tissus, a été utilisée pour la caractérisation des tissus biologiques. Des études cliniques et précliniques ont été réalisées pour évaluer le potentiel de la technique pour suivre les changements de propriétés élastiques dus au développement de cancer ou encore aux traitements thérapeutiques. Une étude clinique a été réalisée sur 23 patientes présentant des lésions du sein ayant subi un traitement de chimiothérapie à l'Institut Curie. Le but de cette étude était d'utiliser pour la première fois l'élastographie 3D pour estimer le volume et l'élasticité globale de tumeurs en cours de traitement par chimiothérapie. Les volumes tumoraux estimés sur les images échographiques ont été comparés aux estimations d'imagerie par résonnance magnétique (IRM) et ont montré une bonne corrélation. Les résultats de l'étude ont montré que la 3D-SWE permet de suivre la réaction tumorale à la chimiothérapie en offrant des mesures précises d'élasticité tumorale en trois dimensions tout au long de l'étude. La technique SSI a été utilisée pour la surveillance des tissus cancéreux dans le cadre de deux études précliniques, réalisées chez des souris nues. L'une des études, menée en collaboration avec l'Hôpital Européen Georges-Pompidou (HEGP), vise à comprendre la rigidité pathologie sous-jacente. L'imagerie a été utilisée pour surveiller la croissance et la réaction à la chimiothérapie de carcinomes humains implantés sur des souris. Les résultats ont montré que pour ce modèle particulier de tumeur, le volume tumoral et l'élasticité de la tumeur étaient très bien corrélées. Les analyses histo-pathologiques ont révélé que l'élasticité de la tumeur est également très bien corrélée avec la nécrose tumorale et la fibrose. La deuxième étude préclinique, réalisée en collaboration avec la Faculté de Pharmacie de l'Université Paris Descartes V, a permis d'évaluer la faisabilité d'utiliser l'imagerie d'élasticité pour suivre un traitement anti-vasculaire sur un type particulier de carcinome du côlon humain implanté chez des souris. Les résultats ne montrent pas de tendance claire de variation de l'élasticité associée au traitement. Afin d'étudier de nouveaux paramètres mécaniques supplémentaires qui permettent une meilleure caractérisation des tissus, une méthode combinant des compressions quasi-statiques axiales et la technique SSI a été mise au point pour mesurer la non-linéarité de cisaillement des tissus. Les premières cartes connues de non-linéarité 2D ont été calculées sur des fantômes imitant les tissus et des échantillons ex vivo de foie de boeuf avec une bonne précision.
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