Applications cardiovasculaires en imagerie tomodensitométrique spectrale aux rayons X à comptage photonique

Spectral photon-counting computed tomography in cardiovascular imaging

• Auteur / Autrice : Salim Si-Mohamed
• Direction : Philippe Douek, Monica Sigovan, Loïc Boussel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biomédical
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image et du Son, UMR5515 (Lyon, Rhône ; 1995-2006)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Beregi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Douek, Monica Sigovan, Christian Morel, Fabien Hyafil, Emmanuelle Canet-Soulas, David Peter Cormode, Hélène Kovacsik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Morel, Fabien Hyafil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie des rayons X

Imagerie médicale -- Appareils et matériel

Imagerie médicale -- Qualité de l'image

Innovation

Scanographie

Mots clés libres

Tomodensitométrie spectrale à comptage photonique

Détecteur à comptage photonique

Imagerie K-edge

Maladie cardiovasculaire

Athérosclérose

Agent de contraste

Nanoparticule d'or

Imagerie moléculaire macrophagique

Spectral photon-counting computed tomography

Photon-counting detector

K-edge imaging

Cardiovascular disease

Atherosclerosis

Contrast agent

Gold nanoparticle

Molecular macrophage imaging

Résumé

L'avènement de nouveaux détecteurs, dits à comptage photonique, appliqués à la tomodensitométrie aux rayons X permet l'analyse de la composition énergétique du spectre de rayons X transmis. En divisant le spectre en plusieurs fenêtres énergétiques, l’imagerie « multicouleur » spécifique et quantitative de matériaux (tels que le gadolinium et l'or), également appelée imagerie K-edge, est possible. Parallèlement, les nanoparticules d'or s'avèrent de bonnes candidates pour l'imagerie K-edge en raison de leur énergie K-edge élevée (~80.3 keV). De plus, elles ont le potentiel de circuler plus longtemps que les agents de contraste iodés pour une meilleure imagerie du compartiment vasculaire et d'être biocompatibles pour des applications in vivo. L'objectif principal de ce travail de thèse est d'évaluer l'imagerie K-edge in vitro et in vivo, permise par un prototype préclinique de tomodensitométrie spectrale à comptage photonique, en combinaison avec des nanoparticules d'or pégylées et des produits de contraste approuvés cliniquement à base d'iode et de gadolinium pour l'imagerie de la lumière et de la paroi artérielle chez le lapin sain et athéromateux. Notre principale contribution a été de démontrer que l'imagerie K-edge est réalisable in vivo en combinaison avec des nanoparticules d'or pour améliorer l'évaluation spécifique de la paroi artérielle athéromateuse en comparaison à l'imagerie conventionnelle via la quantification de sa charge macrophagique, ainsi que pour réaliser une imagerie spécifique « bicouleur » de la lumière artérielle marquée par un produit de contraste iodé et la plaque marquée par les nanoparticules d'or.

The advent of new X-ray detectors, i.e. photon-counting detectors, introduced in spectral photon-counting computed tomography (SPCCT) systems allow analysis of the energy composition of the transmitted X-ray spectrum. By dividing the spectrum into well-chosen energy-based datasets, the specific and quantitative « multicolor » imaging of materials (such as gadolinium and gold), also known as K-edge imaging, is possible with such systems. Meanwhile, the field of nanoparticle contrast agents for CT has expanded rapidly over the past decade, with the greatest number of publications focusing on gold nanoparticles (AuNP). It turns out that AuNP are a good candidate for K-edge imaging, du to their high K-edge energy (~80.3 keV). In addition, they have the potential to circulate longer than iodinated contrast agents for improved blood pool imaging and to be highly biocompatible. The main objective of this thesis work is to evaluate in vitro and in vivo K-edge imaging using a preclinical prototype SPCCT system in combination with pegylated AuNP and clinically approved contrast agents based on iodine and gadolinium for imaging of the lumen and arterial wall in healthy and atherosclerotic rabbits. Our main contribution is to demonstrate that K-edge imaging is feasible in vivo in combination with AuNP to improve the specific assessment of the atherosclerotic arterial wall in comparison to conventional imaging via the quantification of its macrophage burden, as well as to perform « bicolor » imaging (i.e. simultaneous imaging of two agents) for specific differentiation between enhancement of the lumen with one iodinated contrast agent and enhancement of the aortic wall with K-edge AuNP.