Méthode acoustique basée sur l'agrégation érythrocytaire pour le suivi non invasif de l’inflammation

Abstract

Tout patient subissant une chirurgie majeure est à risque de développer un syndrome systémique d’inflammation. Lorsque l’inflammation disproportionnée se produit, le sang devient très visqueux et le transfert d'oxygène aux tissus est affaibli. Cette situation peut causer la défaillance d'organes et ultimement la mort du patient. Il est important donc d’évaluer et surveiller rapidement la réponse inflammatoire du patient pour guider son traitement et éviter la dégradation de sa condition. Actuellement, la détection de l’inflammation repose sur la surveillance de signes vitaux, tels quels la température corporelle et le rythme de la respiration, ou bien sur l’estimation de marqueurs sanguins d’inflammation. La première méthode a le désavantage de manquer grandement de spécificité. Contrairement, les marqueurs sanguins sont des mesures directes et quantitatives de l’état inflammatoire du patient, mais impliquent un échantillonnage du sang et un délai de traitement d’au moins une heure. Ceci se fait au détriment de l’évaluation continue de l’inflammation et peut retarder le diagnostic et le traitement adéquat qui y est associé, spécialement dans les cas des soins périopératoires. Cette thèse présente un ensemble de travaux visant à la détection et à la surveillance non invasive de l’inflammation en analysant le signal ultrasonore rétrodiffusé par le sang. La motivation de la méthodologie proposée est de surveiller continuellement la réponse inflammatoire du patient et de réduire le délai de traitement. Le principe général utilisé dans la méthode exploite la réaction collective des globules rouges à la présence de protéines inflammatoires de phase aiguë, notamment le fibrinogène. En effet, la concentration de ces macromolécules se corrèle positivement avec la force d’attraction intercellulaire. Ainsi, sous conditions de faible écoulement, le niveau d’agrégation érythrocytaire sert de marqueur indirect de l’état inflammatoire du patient. Bien que les agrégats érythrocytaires soient de taille insuffisante pour être observés dans une image échographique, ils laissent une signature spectrale identifiable lors de l’analyse du signal rétrodiffusé du sang. En ajustant son spectre à des modèles physiques ou mathématiques de diffusion acoustique, il est possible de remonter à paramètres quantitatifs d’intérêt clinique, tels que la taille ou l’organisation spatiale de l’agrégat. Ce type d’analyse est encadré dans le domaine des ultrasons quantitatifs qui cherche la caractérisation de tissus à partir de ses signatures spectrales communément dénommées les coefficients de rétrodiffusion. Le premier objectif de cette thèse est d’évaluer d’un point de vue clinique l’interprétation des paramètres obtenus à partir du signal ultrasonore du sang. Cinq modèles mathématiques de rétrodiffusion acoustique, incluant des versions classiques et récentes, ont été évalués. On observe en expériences ex vivo et en une étude préclinique que lorsque l’agrégation érythrocyte augmente, notamment par un processus inflammatoire, certains paramètres offrent un excellent contraste et permettent son évaluation. On conclut que les modèles « Estimateur de taille et du facteur de structure », « Théorie du milieu effectif combinée au facteur de structure » et l’approximation « gaussienne » permettent la caractérisation de plusieurs niveaux d’agrégation érythrocytaire et sont de bons candidats pour l’évaluation de la réaction inflammatoire en clinique. Des travaux pionniers pour la mesure de l’inflammation requéraient que l’acquisition ultrasonore se fasse de façon invasive. Ce fait joue contre l’intérêt général de la technique et rend son utilisation impossible en salle de soins intensifs. Alors, un deuxième objectif de cette thèse est de proposer un protocole de mesure de l’agrégation érythrocytaire non invasif. Les solutions analysées se centrent en la compensation des facteurs confondants intrinsèques à la mesure in vivo, notamment l’écoulement sanguin. On observe que l’arrêt du flux sanguin rend la technique sensible aux conditions d’écoulement précédentes et joue contre sa répétabilité. Contrairement, on constate en expériences ex vivo que l’utilisation d’un écoulement sanguin à faible débit produit des mesures répétables et permet de distinguer entre l'étendue normale et élevée de l'agrégation d’érythrocytes. Des validations sur une cohorte de onze volontaires montrent que le protocole à faible débit offre aussi une bonne répétabilité in vivo et se corrèle significativement avec les tests de laboratoire ex vivo d’agrégation érythrocytaire. Enfin, en visant le transfert de technologie vers la clinique, le troisième objectif de cette thèse est d’évaluer la reproductibilité de résultats en utilisant des méthodes d’imagerie ultrarapide et des échographes cliniques. En effet, les travaux précédents sur la caractérisation de l’agrégation érythrocytaire sont faits avec des transducteurs d’un seul élément piézo-électrique, typiquement utilisés en recherche fondamentale. Cependant, les transducteurs utilisés en clinique sont équipés avec plus d’une centaine de ces éléments. Cette configuration permet la formation de faisceaux ultrasonores focalisés et des techniques d’imagerie ultrarapide. Nos validations ex vivo démontrent que l’utilisation des machines cliniques multiélément est tout à fait viable pour la caractérisation de l’agrégation érythrocytaire et que les résultats obtenus avec elles sont comparables à ceux des machines de recherche.Any patient undergoing major surgery is at risk of developing a systemic inflammatory syndrome. When disproportionate inflammation occurs, the blood becomes very viscous and the transfer of oxygen to the tissues is weakened. This often causes organ failure and ultimately death. Nevertheless, inflammation is less harmful if detected and treated early. Currently, detection of inflammation is based on the monitoring of vital signs, such as body temperature and respiration rate, or on the estimation of blood markers of inflammation. The first method has the disadvantage of lacking specificity. Blood markers, on the other hand, are direct and quantitative measurements of the patient's inflammatory state but involve blood sampling and processing delays that prevent continuous monitoring of the patient. These difficulties the automation of the evaluation of inflammation and can delay the diagnosis and the associated treatment, especially in the cases of perioperative cares. This thesis presents a set of works aimed at the noninvasive detection and monitoring of inflammation by analyzing the ultrasound signal backscattered by blood. The motivation of the proposed methodology is to continuously monitor the patient's inflammatory response and reduce the time before treatment. The general principle used in the method exploits the collective reaction of red blood cells to the presence of acute phase inflammatory proteins, in particular fibrinogen. Indeed, the concentration of these macromolecules correlates positively with the force of intercellular attraction. Thus, under low flow conditions, the level of erythrocyte aggregation serves as a surrogate marker of the patient's inflammatory state. Although the erythrocyte aggregates are not large enough to be observed in an ultrasound image, they leave a spectral signature on the backscattered blood signal. By fitting the blood spectrum to physical or mathematical models of acoustic diffusion, it is possible to obtain quantitative parameters of clinical interest, such as the size or spatial organization of the aggregate. This type of analysis belongs to the field of quantitative ultrasound which seeks the characterization of tissues from its spectral signatures commonly referred to as the backscattering coefficient. The first objective of this thesis is to evaluate from a clinical point of view the interpretation of the parameters obtained from the ultrasound signal of the blood. Five mathematical models of acoustic backscattering, including both classical and recent versions, were evaluated. In ex vivo experiments and in a preclinical study, we observed that when the erythrocyte aggregation increases, in particular by an inflammatory process, certain parameters offer an excellent contrast and allow its classification. It is concluded that the "structure factor and size estimator", "effective medium theory considering a structure factor" and the "Gaussian" models allow the characterization of several levels of erythrocyte aggregation and are good candidates for the evaluation of the inflammatory reaction in clinics. Pioneer works on the measurement of inflammation required that ultrasound acquisition would be done in an invasive fashion. This fact plays against the general interest of the technique and makes its use impossible in the intensive care room. A second objective of this thesis is thus to propose a protocol for the non-invasive measuring of erythrocyte aggregation. The analyzed solutions concentrate on the compensation of the confounding factors intrinsic to the in vivo measurement, in particular the blood flow. It was observed that the cessation of blood flow rendered the technique sensitive to the previous flow conditions and played against its repeatability. Conversely, ex vivo experiments showed that maintaining a low-flow provided repeatable measures and could distinguish between normal and high extents of erythrocyte aggregation. Validations on a cohort of eleven volunteers showed that the low-flow protocol also offers good in vivo repeatability and correlates significantly with ex vivo laboratory tests of erythrocyte aggregation. Finally, by aiming at the transfer of technology to clinics, the third objective of this thesis was to evaluate the reproducibility of results using ultrafast imaging methods and clinical ultrasound machines. Indeed, previous works on the characterization of erythrocyte aggregation were done with single element transducers, typically used in fundamental research. However, the transducers used in the clinics are equipped with more than a hundred of piezoelectric elements. This configuration allows the formation of focused ultrasound beams as well as ultrafast imaging techniques. Our ex vivo validations demonstrated that the use of these new technologies is quite possible for the characterization of erythrocyte aggregation and leads to results comparable to those of previous technologies