Reconstruction accuracy dependence with induced-shear-wave magnitude in Magnetic Resonance Elastography

Congrès sous l’égide de la Société Française de Génie Biologique et Médical (SFGBM)National audienceSince 1996, Magnetic Resonance Elastography (MRE) holds the promise for absolute quantitation of the mechanical parameters of living tissues [1]. The reproducibility of the technique was challenged [2] while the measurement precision was determined by the uncertainty of the recorded MR-signal phase onto which the inferred motion is encoded [3]. We assumed that the ratio of the resulting total wave amplitude to its related uncertainty, AT/ΔAT,_ _should be considered to validate the acquired set of MRE data. Nevertheless, as long as this ratio is greater than unity, the validity of the extracted mechanical parameters might not be questioned. Here, we extract the complex shear modulus, G=G′+G′′, by inversion of the three-dimensional equation of motion [4] for a wide range of inferred wave amplitude, starting from zero, in a breast phantom. The shear dynamic, G′, and loss, G′′, moduli were found to increase with the wave amplitude before reaching a plateau at ratios AT/ΔAT much greater than one. Experiments were carried with standard motion-sensitized refocused field echo (RFE) [1] and motion fractional-encoding fast field echo (FFE) [5], for which sensitivities largely differ, so the relevance of a MRE-validity threshold based on the ratio AT/ΔAT could be exhibited

Assessing Histology Structures by Ex Vivo MR Microscopy and Exploring the Link Between MRM-Derived Radiomic Features and Histopathology in Ovarian Cancer.

The value of MR radiomic features at a microscopic scale has not been explored in ovarian cancer. The objective of this study was to probe the associations of MR microscopy (MRM) images and MRM-derived radiomic maps with histopathology in high-grade serous ovarian cancer (HGSOC). Nine peritoneal implants from 9 patients with HGSOC were imaged ex vivo with MRM using a 9.4-T MR scanner. All MRM images and computed pixel-wise radiomics maps were correlated with the slice-matched stroma and tumor proportion maps derived from whole histopathologic slide images (WHSI) of corresponding peritoneal implants. Automated MRM-derived segmentation maps of tumor and stroma were constructed using holdout test data and validated against the histopathologic gold standard. Excellent correlation between MRM images and WHSI was observed (Dice index = 0.77). Entropy, correlation, difference entropy, and sum entropy radiomic features were positively associated with high stromal proportion (r = 0.97,0.88, 0.81, and 0.96 respectively, p < 0.05). MR signal intensity, energy, homogeneity, auto correlation, difference variance, and sum average were negatively associated with low stromal proportion (r = -0.91, -0.93, -0.94, -0.9, -0.89, -0.89, respectively, p < 0.05). Using the automated model, MRM predicted stromal proportion with an accuracy ranging from 61.4% to 71.9%. In this hypothesis-generating study, we showed that it is feasible to resolve histologic structures in HGSOC using ex vivo MRM at 9.4 T and radiomics

Magnetic resonance elastography and guided pressure waves

Les propriétés mécaniques des tissus biologiques sont des paramètres importants en médecine : ce sont des biomarqueurs du fonctionnement normal ou pathologique d'un tissu. En effet, ces propriétés peuvent être affectées par certaines conditions mécaniques telles que l'application d'une contrainte externe, comme l'hypertension ou un traumatisme, mais également par la présence de certaines maladies, telles que le cancer, la fibrose, l’inflammation, la maladie d'Alzheimer, ou bien tout simplement avec l'âge. La palpation réalisée par le médecin permet de discerner ces changements mais ce geste est qualitatif et ne peut accéder à des organes profonds. L'élastographie-IRM reste une méthode quantitative, robuste, d'une grande précision, qui permet de sonder l'élasticité et la viscosité des tissus. Elle consiste à mesurer le champ de déplacement d'une onde de cisaillement induite dans l'organe ciblé par une technique IRM en contraste de phase. Les modules viscoélastiques sont alors déduits après inversion de l'équation d'onde. Malgré cela, la justesse de cette technique n'a pas encore été pleinement établie. L'élastographie-IRM est en cours d'implémentation en routine clinique sur des patients atteints de maladies hépatiques chroniques ou bien pour caractériser des tumeurs dans le cas de cancer du sein. L'application aux autres organes protégés, tels que le cerveau ou les poumons, reste encore du domaine de la recherche à cause de la difficulté d'y induire des ondes mécaniques (protection naturelle de la boîte crânienne ou de la cage thoracique). C'est dans ce contexte qu'intervient un volet de mon travail de thèse : la mise en place, la caractérisation et l'optimisation d'un système induisant des ondes mécaniques dans les organes profonds. L’approche originale suivie a été d’utiliser les voies naturelles permettant d’amener l’onde de pression aux poumons ou bien à l’encéphale, différente des approches classiques consistant à traverser les barrières protectrices. Ce générateur d'onde de pression nous a permis d'obtenir des amplitudes d'onde allant de 6 µm à 30 µm dans l'ensemble du cerveau, amplitudes suffisantes afin d'en déduire les modules viscoélastiques du cerveau entier. D'autre part, un travail important s'est attaché à la réalisation d'un schéma original de correction des mouvements du patient en élastographie-IRM. Nous avons mis en évidence comment ces mouvements peuvent entraîner une discordance des composantes du champ de déplacement, nécessitant alors d'être corrigées. La correction proposée est composée d'une première étape dont la finalité est de recaler spatialement l'ensemble des volumes acquis, puis d'une seconde étape permettant de rétablir les composantes du champ de déplacement dans la même base orthonormée. Nous avons évalué numériquement et expérimentalement le biais induit quand aucunes corrections n'étaient appliquées sur ces données ainsi que l'apport de ces deux étapes de correction. Un travail préliminaire sur l'étude de la reproductibilité des acquisitions (phase en particulier) a été nécessaire. Enfin, l'ensemble des résultats de ces deux volets nous ont permis de réaliser des acquisitions d'élastographie du cerveau complet et d'obtenir des cartes du champ de déplacement de qualité. Ainsi, nous avons pu montrer la tendance des ondes mécaniques à suivre les directions privilégiées des fibres du cerveau, résultats que nous avons commencé à confronter aux observations faites en DTI.Mechanical properties of biological tissues are important parameters in medicine: they are normal or pathological function biomarkers of tissue. Indeed, these properties can be affected by some mechanical conditions such as the application of an external constraint, like hypertension or trauma, but also by the presence of certain diseases, such as cancer, fibrosis, inflammation, Alzheimer’s disease, or simply with age. Palpation performed by the physician can detect these changes but this gesture is qualitative and can not access deep organs. MR-elastography remains a quantitative and robust method of high precision, which probes elasticity and viscosity of tissues. It consists in measuring the displacement field of a shear wave induced in the target organ by a phase contrast based MRI technique. The viscoelastic moduli are deducted after inversion of the wave equation. Nevertheless, the accuracy of this technique has not yet been fully established. MR-elastography is being implemented in routine clinical practice for patients with chronic liver diseases or to characterize tumors in the case of breast cancer. Application to other protected organs, such as the brain or lungs, is still in research area because of the difficulty to induce mechanical waves (natural protection of the skull or the rib cage). It is in this context that a part of my thesis work is involved: the establishment, characterization and optimization of a system inducing mechanical waves in deep organs. The original approach was to use anatomical pathways for bringing the pressure waves to the lungs or the brain, different from conventional approaches of traversing the protective barriers. This pressure wave generator allowed us to obtain wave amplitudes ranging from 6 µm to 30 µm in the whole brain, sufficient amplitudes to deduce the whole brain viscoelastic moduli. On the other hand, an important work has focused on the realization of an original scheme of patient motions correction in MR-elastography. We have brought out how these motions can cause a mismatch of the displacement field components, which need to be corrected. The proposed correction is composed of a first step whose purpose is to spatially realign all acquired volumes, then a second step to restore the displacement field components in the same orthonormal basis. We numerically and experimentally evaluated the bias when no corrections were applied to these data and the contribution of these two correction steps. A preliminary work on the study of the acquisitions reproducibility (particularly phase) was necessary. Finally, all the results of these two components have allowed us to realize elastography acquisitions of the whole brain and obtain quality displacement field maps. Thus, we showed the trend of mechanical waves to follow the brain fibers preferred directions, results that we started to compare to the observations made by DTI

Élastographie par résonance magnétique et onde de pression guidée

Mechanical properties of biological tissues are important parameters in medicine: they are normal or pathological function biomarkers of tissue. Indeed, these properties can be affected by some mechanical conditions such as the application of an external constraint, like hypertension or trauma, but also by the presence of certain diseases, such as cancer, fibrosis, inflammation, Alzheimer’s disease, or simply with age. Palpation performed by the physician can detect these changes but this gesture is qualitative and can not access deep organs. MR-elastography remains a quantitative and robust method of high precision, which probes elasticity and viscosity of tissues. It consists in measuring the displacement field of a shear wave induced in the target organ by a phase contrast based MRI technique. The viscoelastic moduli are deducted after inversion of the wave equation. Nevertheless, the accuracy of this technique has not yet been fully established. MR-elastography is being implemented in routine clinical practice for patients with chronic liver diseases or to characterize tumors in the case of breast cancer. Application to other protected organs, such as the brain or lungs, is still in research area because of the difficulty to induce mechanical waves (natural protection of the skull or the rib cage). It is in this context that a part of my thesis work is involved: the establishment, characterization and optimization of a system inducing mechanical waves in deep organs. The original approach was to use anatomical pathways for bringing the pressure waves to the lungs or the brain, different from conventional approaches of traversing the protective barriers. This pressure wave generator allowed us to obtain wave amplitudes ranging from 6 µm to 30 µm in the whole brain, sufficient amplitudes to deduce the whole brain viscoelastic moduli. On the other hand, an important work has focused on the realization of an original scheme of patient motions correction in MR-elastography. We have brought out how these motions can cause a mismatch of the displacement field components, which need to be corrected. The proposed correction is composed of a first step whose purpose is to spatially realign all acquired volumes, then a second step to restore the displacement field components in the same orthonormal basis. We numerically and experimentally evaluated the bias when no corrections were applied to these data and the contribution of these two correction steps. A preliminary work on the study of the acquisitions reproducibility (particularly phase) was necessary. Finally, all the results of these two components have allowed us to realize elastography acquisitions of the whole brain and obtain quality displacement field maps. Thus, we showed the trend of mechanical waves to follow the brain fibers preferred directions, results that we started to compare to the observations made by DTI.Les propriétés mécaniques des tissus biologiques sont des paramètres importants en médecine : ce sont des biomarqueurs du fonctionnement normal ou pathologique d'un tissu. En effet, ces propriétés peuvent être affectées par certaines conditions mécaniques telles que l'application d'une contrainte externe, comme l'hypertension ou un traumatisme, mais également par la présence de certaines maladies, telles que le cancer, la fibrose, l’inflammation, la maladie d'Alzheimer, ou bien tout simplement avec l'âge. La palpation réalisée par le médecin permet de discerner ces changements mais ce geste est qualitatif et ne peut accéder à des organes profonds. L'élastographie-IRM reste une méthode quantitative, robuste, d'une grande précision, qui permet de sonder l'élasticité et la viscosité des tissus. Elle consiste à mesurer le champ de déplacement d'une onde de cisaillement induite dans l'organe ciblé par une technique IRM en contraste de phase. Les modules viscoélastiques sont alors déduits après inversion de l'équation d'onde. Malgré cela, la justesse de cette technique n'a pas encore été pleinement établie. L'élastographie-IRM est en cours d'implémentation en routine clinique sur des patients atteints de maladies hépatiques chroniques ou bien pour caractériser des tumeurs dans le cas de cancer du sein. L'application aux autres organes protégés, tels que le cerveau ou les poumons, reste encore du domaine de la recherche à cause de la difficulté d'y induire des ondes mécaniques (protection naturelle de la boîte crânienne ou de la cage thoracique). C'est dans ce contexte qu'intervient un volet de mon travail de thèse : la mise en place, la caractérisation et l'optimisation d'un système induisant des ondes mécaniques dans les organes profonds. L’approche originale suivie a été d’utiliser les voies naturelles permettant d’amener l’onde de pression aux poumons ou bien à l’encéphale, différente des approches classiques consistant à traverser les barrières protectrices. Ce générateur d'onde de pression nous a permis d'obtenir des amplitudes d'onde allant de 6 µm à 30 µm dans l'ensemble du cerveau, amplitudes suffisantes afin d'en déduire les modules viscoélastiques du cerveau entier. D'autre part, un travail important s'est attaché à la réalisation d'un schéma original de correction des mouvements du patient en élastographie-IRM. Nous avons mis en évidence comment ces mouvements peuvent entraîner une discordance des composantes du champ de déplacement, nécessitant alors d'être corrigées. La correction proposée est composée d'une première étape dont la finalité est de recaler spatialement l'ensemble des volumes acquis, puis d'une seconde étape permettant de rétablir les composantes du champ de déplacement dans la même base orthonormée. Nous avons évalué numériquement et expérimentalement le biais induit quand aucunes corrections n'étaient appliquées sur ces données ainsi que l'apport de ces deux étapes de correction. Un travail préliminaire sur l'étude de la reproductibilité des acquisitions (phase en particulier) a été nécessaire. Enfin, l'ensemble des résultats de ces deux volets nous ont permis de réaliser des acquisitions d'élastographie du cerveau complet et d'obtenir des cartes du champ de déplacement de qualité. Ainsi, nous avons pu montrer la tendance des ondes mécaniques à suivre les directions privilégiées des fibres du cerveau, résultats que nous avons commencé à confronter aux observations faites en DTI

Prise en charge des accidents et anomalies d'éruption dentaire

International audienc

Comparison between 3D Supersonic Shear Wave Elastography and Magnetic Resonance Elastography: a preliminary experimental study

Congrès sous l’égide de la Société Française de Génie Biologique et Médical (SFGBM).National audienceUltrasound Supersonic Shear Wave Elastog-raphy (SSWE) as well as Magnetic Resonance Elastography (MRE) allow accessing the mechanical properties of human tissues. SSWE is usually performed using a 2D probe. 3D SSWE is now available but needs to be validated. We compared 3D SSWE with both 2D SSWE and MRE which is inherently 3D on a breast phantom. We found that 3D SSWE is reproducible and provides elasticity estimates comparable to those obtained with the validated 2D SSWE. We also showed that 3D SSWE and MRE exhibit quite different elasticity moduli , but they reveal similar qualitative trends in the phantom. Although no relationship could be drawn between the two modalities , this study provides a first basis for comparison and a guide for potential improvements

Miroir 3D augmenté par imagerie médicale : la perception de soi en question

International audienceL'imagerie médicale révèle l'intérieur du corps humain sans physiquement ouvrir ce dernier. Devenue nécessaire dans l'établissement d'un grand nombre de diagnostics cliniques, l'imagerie médicale donne à voir de différentes façons l'anatomie et la fonction des organes internes. La présence de plus en plus prégnante dans notre quotidien de ces images de notre propre intérieur a-t-elle un effet sur notre perception ou nos comportements ? Première Intimité de l'Être est un miroir numérique reflétant en temps réel le corps des utilisateurs tel que les rayons X, l'imagerie nucléaire ou l'imagerie par résonance magnétique peuvent le sonder. Cette installation prospective est un terrain d'exploration de la relation que nous entretenons avec les images de l'intérieur de notre corps et de la perception que nous avons de notre corps. Première Intimité de l'être questionne le statut de ces images et exacerbe les enjeux liés à l'exposition de ces données, à l'origine, médicales. Mots Clés Imagerie médicale, miroir augmenté, rendu volumique, incarnation, perception de soi, intimité

Robustness of radiomics features on 0.35 T magnetic resonance imaging for magnetic resonance-guided radiotherapy

Background and purpose: MR-guided radiotherapy adds the precision of magnetic resonance imaging (MRI) to the therapeutic benefits of a linear accelerator. Prior to each therapeutic session, an MRI generates a significant volume of imaging data ripe for analysis. Radiomics stands at the forefront of medical imaging and oncology research, dedicated to mining quantitative imaging attributes to forge predictive models. However, the robustness of these models is often challenged. Materials and methods: To assess the robustness of feature extraction, we conducted reproducibility studies using a 0.35 T MR-linac system, employing both a specialized phantom and patient-derived images, focusing on cases of pancreatic cancer. We extracted shape-based, first-order and textural features from patient-derived images and only first-order and textural features from phantom-derived images. The impact of the delay between simulation and first fraction images was also assessed with an equivalence test. Results: From 107 features evaluated, 58 (54 %) were considered as non-reproducible: 18 were uniformly inconsistent across both phantom and patient images, 9 were specific to phantom-based analysis, and 31 to patient-derived data. Conclusion: Our findings show that a significant proportion of radiomic features extracted from this dual dataset were unreliable. It is essential to discard these non-reproducible elements to refine and enhance radiomic model development, particularly for MR-guided radiotherapy in pancreatic cancer

Tumor solid stress: assessment with mr elastography under compression of patient-derived hepatocellular carcinomas and cholangiocarcinomas xenografted in mice

International audienceMalignant tumors have abnormal biomechanical characteristics, including high viscoelasticity, solid stress, and interstitial fluid pressure. Magnetic resonance (MR) elastography is increasingly used to non-invasively assess tissue viscoelasticity. However, solid stress and interstitial fluid pressure measurements are performed with invasive methods. We studied the feasibility and potential role of MR elastography at basal state and under controlled compression in assessing altered biomechanical features of malignant liver tumors. MR elastography was performed in mice with patient-derived, subcutaneously xenografted hepatocellular carcinomas or cholangiocarcinomas to measure the basal viscoelasticity and the compression stiffening rate, which corresponds to the slope of elasticity versus applied compression. MR elastography measurements were correlated with invasive pressure measurements and digital histological readings. Significant differences in MR elastography parameters, pressure, and histological measurements were observed between tumor models. In multivariate analysis, collagen content and interstitial fluid pressure were determinants of basal viscoelasticity, whereas solid stress, in addition to collagen content, cellularity, and tumor type, was an independent determinant of compression stiffening rate. Compression stiffening rate had high AUC (0.87 ± 0.08) for determining elevated solid stress, whereas basal elasticity had high AUC for tumor collagen content (AUC: 0.86 ± 0.08). Our results suggest that MR elastography compression stiffening rate, in contrast to basal viscoelasticity, is a potential marker of solid stress in malignant liver tumors