Multimodal imaging combining MRI and optics for in vivo assessment of colorectal abnormalities

Le diagnostic des pathologies du tube digestif pouvant favoriser la survenue du cancer colorectal(CCR) telle que les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) est un enjeu majeur de santé public. Un meilleur suivi du patient – impactant notamment le pronostic vital – et une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces maladies reposent en partie sur l'émergence de nouvelles techniques diagnostiques. Dans ce contexte, ce manuscrit décrit les développements instrumentaux et méthodologiques combinant séquentiellement au sein d'un même protocole un examen par IRM endoluminale avec un examen associant l'endoscopie conventionnelle, la spectrophotométrie optique et l'endomicroscopie confocale. Les capteurs et procédures développés ont été caractérisés in vitro sur des modèles organiques puis évalués au cours de deux suivis longitudinaux sur un modèle de colite induite chimiquement chez le petit animal. Cette démarche s'inscrit dans les développements récents de techniques multimodales applicables chez des modèles animaux pour des études méthodologiques ou chez l'Homme. La première partie du manuscrit décrit un panorama de l'anatomie rectocolique ainsi que des MICI et du CCR. Les moyens diagnostics actuels utilisés de manière régulière en clinique sont également présentés. La seconde partie décrit précisément les développements instrumentaux et méthodologiques réalisés en IRM et en optique ainsi que les différentes études in vivo qui ont été menées afin d'évaluer le potentiel de la multimodalité IRM – optique. Enfin, la troisième partie de ce manuscrit présente et discute les résultats obtenus au cours de ces différentes études pour les différentes modalités. En conclusion, l'apport de nouveaux outils diagnostiques tels que présentés dans ce manuscrit permettant d'accroître la sensibilité de détection et de caractérisation des lésions tissulaires colorectales est démontréThe diagnosis of gut-inflammatory conditions such as inflammatory bowel disease (IBD), that may lead into colorectal cancer (CRC), is a major public health issue. The emergence of novel imaging-based diagnosis technics helps to improve patients’ following-up but also the growth mechanisms of such conditions. In this context, the present manuscript describes a protocol that includes sequentially endoluminal MRI examination with conventional endoscopy, optical spectroscopy and confocal endomicroscopy. The dedicated developed instrumentation has been first characterized on organic models and then evaluated in vivo on a mouse model of colitis during two longitudinal studies. This project aims to propose methodological developments offering new ways of investigating complex mechanisms on mouse models and that could be further transposed to Human. The first part of this manuscript describes an overview of the colon and rectum anatomy as well as the main characteristics of IBD and CRC. The diagnostic imaging tools that are mainly use in clinical environment for the detection, description and staging of colorectal abnormalities are then presented. The second part describes the development of endoluminal MRI with dedicated coils and the development of optical modalities. In order to assess the potential of the proposed protocol, the different in vivo studies carried out during this project are detailed. Finally, the last part of the document shows and discusses the results obtained for each and cross modalities in this context. In conclusion, bringing new ways of imaging gut diseases to increase the sensitivity of the diagnosis and enhance the morphological description of colorectal abnormalities was demonstrate

Imagerie endoluminale multimodale IRM-optique pour la caractérisation et la stadification in vivo des anomalies tissulaires colorectales

The diagnosis of gut-inflammatory conditions such as inflammatory bowel disease (IBD), that may lead into colorectal cancer (CRC), is a major public health issue. The emergence of novel imaging-based diagnosis technics helps to improve patients’ following-up but also the growth mechanisms of such conditions. In this context, the present manuscript describes a protocol that includes sequentially endoluminal MRI examination with conventional endoscopy, optical spectroscopy and confocal endomicroscopy. The dedicated developed instrumentation has been first characterized on organic models and then evaluated in vivo on a mouse model of colitis during two longitudinal studies. This project aims to propose methodological developments offering new ways of investigating complex mechanisms on mouse models and that could be further transposed to Human. The first part of this manuscript describes an overview of the colon and rectum anatomy as well as the main characteristics of IBD and CRC. The diagnostic imaging tools that are mainly use in clinical environment for the detection, description and staging of colorectal abnormalities are then presented. The second part describes the development of endoluminal MRI with dedicated coils and the development of optical modalities. In order to assess the potential of the proposed protocol, the different in vivo studies carried out during this project are detailed. Finally, the last part of the document shows and discusses the results obtained for each and cross modalities in this context. In conclusion, bringing new ways of imaging gut diseases to increase the sensitivity of the diagnosis and enhance the morphological description of colorectal abnormalities was demonstratedLe diagnostic des pathologies du tube digestif pouvant favoriser la survenue du cancer colorectal(CCR) telle que les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) est un enjeu majeur de santé public. Un meilleur suivi du patient – impactant notamment le pronostic vital – et une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces maladies reposent en partie sur l'émergence de nouvelles techniques diagnostiques. Dans ce contexte, ce manuscrit décrit les développements instrumentaux et méthodologiques combinant séquentiellement au sein d'un même protocole un examen par IRM endoluminale avec un examen associant l'endoscopie conventionnelle, la spectrophotométrie optique et l'endomicroscopie confocale. Les capteurs et procédures développés ont été caractérisés in vitro sur des modèles organiques puis évalués au cours de deux suivis longitudinaux sur un modèle de colite induite chimiquement chez le petit animal. Cette démarche s'inscrit dans les développements récents de techniques multimodales applicables chez des modèles animaux pour des études méthodologiques ou chez l'Homme. La première partie du manuscrit décrit un panorama de l'anatomie rectocolique ainsi que des MICI et du CCR. Les moyens diagnostics actuels utilisés de manière régulière en clinique sont également présentés. La seconde partie décrit précisément les développements instrumentaux et méthodologiques réalisés en IRM et en optique ainsi que les différentes études in vivo qui ont été menées afin d'évaluer le potentiel de la multimodalité IRM – optique. Enfin, la troisième partie de ce manuscrit présente et discute les résultats obtenus au cours de ces différentes études pour les différentes modalités. En conclusion, l'apport de nouveaux outils diagnostiques tels que présentés dans ce manuscrit permettant d'accroître la sensibilité de détection et de caractérisation des lésions tissulaires colorectales est démontr

IMAGERIE MULTIMODALE IRM/OPTIQUE POUR LE SUIVI DES ANOMALIES TISSULAIRES COLORECTALES

International audienceLes maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) possèdent une forte probabilité d’évolution vers le cancer colorectal (CCR) [1]. Afin de prévenir la survenue du CCR, il est impératif de pouvoir examiner précisément l’inflammation précoce ainsi que les stades précancéreux (dysplasie), liée à ces MICI, mais également de pouvoir en suivre l’évolution. Pour cela, nous présentons un protocole d’imagerie multimodale permettant le suivi du développement du CCR à plusieurs échelles et plusieurs sources de contraste. Le suivi du CCR est réalisé sur un modèle murin de colite inflammatoire aboutissant au CCR pouvant être résumé par la séquence simplifiée : inflammation, dysplasie et cancer

Robust graph representation of images with underlying structural networks. Application to the classification of vascular networks of mice’s colon

International audienceIn this letter, we consider scenes constituted by underlying structural networks. This is an important issue since such scenes appear in many domains of sciences with for instance images of road networks, vascular networks, root systems, etc. The extraction of information from such networks requires characterization methods specifically designed to preserve the topological structure of the network hidden in the image. We propose an entire image processing pipeline for this task with a robust joint segmentation and graph-based representation approach. The proposed method relates, in the closest literature, to the so-called Maximally Stable Extremal Region here extended to extremally stable graph. The method is successfully illustrated with a real world biomedical pattern recognition problem solved with our approach. The robustness of the most common graph parameters is discussed from Monte Carlo simulations on synthetic graphs

Imagerie multimodale IRM/optique pour le suivi du cancer colorectal chez la souris

National audienceBut de l’étude : Les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) possèdent une forte probabilité d’évolution vers le cancer colorectal (CCR) [1]. Afin de prévenir la survenue du CCR, il est impératif de pouvoir examiner précisément l’inflammation précoce ainsi que les stades précancéreux (dysplasie), liée à ces MICI, mais également de pouvoir en suivre l’évolution. Pour cela, nous présentons un protocole d’imagerie multimodale permettant le suivi du développement du CCR sur MICI à plusieurs échelles et plusieurs sources de contraste. Ce suivi est réalisé sur un modèle murin de colite inflammatoire aboutissant au CCR pouvant être résumé par la séquence simplifiée : inflammation, dysplasie et cancer.Matériel et méthodes : Le suivi des lésions s’effectue sur 20 souris chimiquement traitées à l’aide d’une combinaison d’azoxyméthane et de dextran sulfate sodium, 12 animaux supplémentaires servent de contrôle. Les souris sont imagées toutes les 6 semaines pendant 6 mois. Le protocole combine séquentiellement l’endoscopie conventionnelle (EC) en lumière blanche, la chromoendoscopie (CE) et l’endomicroscopie confocale (EMC). L’IRM endoluminale est ensuite réalisée à l’aide de capteurs endorectaux (CER) développés pour les besoins de l’étude [2]. L’EC permet la détection et la caractérisation millimétrique en surface des anomalies. De manière similaire, la CE permet de rehausser le contraste muqueux et d’améliorer la sensibilité de détection des lésions planes et déprimées, qui suggèrent des atteintes généralement plus graves. L’EMC est quant à elle utilisée pour caractériser microscopiquement l’architecture du réseau microvasculaire ainsi que la forme et la distribution des cryptes constituant la surface épithéliale (≈100μm). Finalement, l’IRM endoluminale est utilisée pour caractériser les lésions en profondeur et pour stadifier l’évolution des tumeurs, sur la base de l’imagerie T1 sans recours à un agent de contraste notamment pour des facilités pratiques.Résultats : Chaque stade de la pathologie présente des motifs caractéristiques observés à l’aide des différentes modalités d’imagerie (voir figure 1). L’inflammation précoce se caractérise par une déformation des cryptes et une déstructuration du réseau microvasculaire. Aux stades dysplasiques, la prolifération cellulaire anarchique mène à des fusions des cryptes et à une perméabilité membranaire accrue liée à une extravasation de l’agent de contraste. Enfin, le CCR se traduit,à l’aide des modalités optiques,par l’observation de massifs tumoraux hypervascularisés. L’IRM endoluminale permet d’évaluer l’atteinteinflammatoire (par une mesure de l’épaississement du complexe colique) et également d’apprécier, en profondeur, l’évolution des lésions précancéreuses et tumorales.Discussion : Le protocole permet le suivi, à plusieurs échelles, de la séquence de développement du CCR évoluant sur terrain inflammatoire chez le petit animal. La combinaison des modalités d’imagerie utilisées au sein d’un même protocole permet d’améliorer la sensibilité de détection des lésions et d’en caractériser l’état en surface et en profondeur.Références :1. Bretthauer M. et al, Colorectal cancer screening: Review: Colorectal cancer screening. J. Intern. Med. 270:87–98, 2011.2. Dorez H. et al, Endoluminal high-resolution MR imaging protocol for colon walls analysis in a mouse model of colitis. Magn Reson Mater Phys Biol Med. 10:1–13 2016.Remerciements :LABEX PRIMES (ANR-11-LABX-0063)

A multimodality protocol combining endoscopic MRI and confocal endomicroscopy for mice colorectal lesions assessment

International audiencePatients with inflammatory bowel disease (IBD) are at higher risk to develop colorectal cancer (CCR) [1]. An early diagnosis and characterization of abnormalities can help to adapt therapeutic responses and increase treatments efficiency. Endoscopy and confocal endomicroscopy (CEM) are used to characterize macroscopic features and vascular network architecture of the parietal surface. By contrast, MRI, performed with endoluminal coils (EC) [2], allows to image deeper colon-wall layers and visceral fat. The aim of this work was to follow colon tissues infiltration on a mouse model of colitis during a six months period time using endoluminal optics and MRI

In vivo magnetic resonance spectroscopy for the characterization of colorectal tumors in colitis murine model: initial findings

International audienceInflammatory bowel diseases (IBD) increase the risk of developing colorectal cancer (CRC) [1]. The abnormal proliferation of cells induces subsurface anatomical and biochemical changes that cannot be early assessed with conventional modalities. Proton magnetic resonance spectroscopy (MRS) has been shown to have clinical value in managing cancers of the brain, breast, prostate, and it may be useful for the diagnosis and monitoring of IBD. Up to now, there have been no reports of the in vivo assessment of colon walls using MRS. In this work, dedicated endorectal coils (EC) [2] which locally improve significantly SNR were used to carry out MRS in small voxel without time penalties or SNR issues for the characterization of colorectal tumors on a mouse model of colitis [3]

Machine Learning-Based Classification of the Health State of Mice Colon in Cancer Study from Confocal Laser Endomicroscopy

In this article, we address the problem of the classification of the health state of the colon's wall of mice, possibly injured by cancer with machine learning approaches. This problem is essential for translational research on cancer and is a priori challenging since the amount of data is usually limited in all preclinical studies for practical and ethical reasons. Three states considered including cancer, health, and inflammatory on tissues. Fully automated machine learning-based methods are proposed, including deep learning, transfer learning, and shallow learning with SVM. These methods addressed different training strategies corresponding to clinical questions such as the automatic clinical state prediction on unseen data using a pre-trained model, or in an alternative setting, real-time estimation of the clinical state of individual tissue samples during the examination. Experimental results show the best performance of 99.93% correct recognition rate obtained for the second strategy as well as the performance of 98.49% which were achieved for the more difficult first case

Investigation of the mouse colon wall using endoscopic MRI and confocal endomicroscopy

International audienceThe purpose of this project is to provide new tools and protocols to evaluate digestive pathologies. To this end, endoscopic MRI, using endoluminal coils, was combined with confocal endomicroscopy (CEM). Both modalities provide complementary information. CEM is well suited to investigate the surface of the colon wall whereas endoscopic MRI can assess deeper structures. It allows characterizing and staging the first steps of cancer development. The study was performed on a mouse model of colitis following 24 animals. This opens perspectives to better understand digestive pathologies such as colorectal cancer and inflammatory bowel disease

Investigation of the mouse colon wall using endoscopic MRI and confocal endomicroscopy

International audienceThe purpose of this project is to provide new tools and protocols to evaluate digestive pathologies. To this end, endoscopic MRI, using endoluminal coils, was combined with confocal endomicroscopy (CEM). Both modalities provide complementary information. CEM is well suited to investigate the surface of the colon wall whereas endoscopic MRI can assess deeper structures. It allows characterizing and staging the first steps of cancer development. The study was performed on a mouse model of colitis following 24 animals. This opens perspectives to better understand digestive pathologies such as colorectal cancer and inflammatory bowel disease