Imagerie ultrarapide ultrasonore multiparamétrique 3D pour un meilleur diagnostic du cancer du sein

Multiparametric 3D ultrafast ultrasound imaging for better breast cancer diagnosis

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Guillaumin
• Direction : Jean-François Aubry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique pour la médecine (Paris ; 2019-....) - Physique pour la médecine
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : Fondation Bettencourt Schueller (France)
• Jury : Président / Présidente : Julien de Rosny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Aubry, Emilie Franceschini, Stefan Catheline, Béatrice Berthon, Sharon Lori Bridal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilie Franceschini, Stefan Catheline

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie par ultrasons ultrarapides

Imagerie 3D

Imagerie multiparamétrique

Analyse de larges données

Cancer

Ultrafast ultrasound imaging

3D imaging

Multiparametric imaging

Big data

Cancer

Résumé

L’imagerie ultrasonore est couramment utilisée en clinique pour le diagnostic du cancer du sein. Cependant, elle ne permet pas encore de différencier certaines tumeurs bénignes de cancers, ni de caractériser précisément le type de tumeur observé. Dans cette thèse, nous nous sommes donc intéressés aux potentiels apports de nouveaux modes ultrasonores développés par la recherche ces dernières années pour dépasser ces limites. Nous avons choisi d’effectuer notre imagerie en 3D pour décrire les tumeurs, parfois hétérogènes, dans toute leur complexité. Pour cela, nous avons développé une nouvelle approche tomographique à l’aide d’une sonde linéaire et d’un ensemble de moteurs. Ce choix a principalement été porté par la plus grande sensibilité des sondes linéaires par rapport aux sondes matricielles et leur plus grande disponibilité.Le premier chapitre présente l’état de l’art et se concentre d’abord sur une présentation du cancer du sein. Sans être exhaustif, nous cherchons à montrer la diversité de la maladie puis à présenter les principales méthodes de dépistage et de diagnostic. Lors de sa progression, le cancer modifie l’environnement de nombreuses cellules non tumorales provoquant des remaniements importants en particulier de la vascularisation sanguine et de la structure des fibres de collagène. Après une courte introduction aux ultrasons biomédicaux, nous détaillons ensuite les modalités d’imagerie utilisées pendant cette thèse : le mode B pour l’image anatomique, l’élastographie par onde de cisaillement (shear wave elastography – SWE) pour la rigidité des tissus, le Doppler ultrarapide pour la vascularisation sanguine, la microscopie par localisation ultrasonore (ultrasound localization microscopy – ULM) pour la microvascularisation sanguine et l’imagerie du tenseur de rétrodiffusion (backscatter tensor imaging – BTI) pour l’orientation des fibres des tissus.Le second chapitre de cette thèse propose une nouvelle méthode tomographique pour réaliser un BTI en 3D en utilisant une sonde linéaire et un jeu de moteurs. Nous montrons sur une série de fantômes ultrasonores que notre méthode de BTI est bien capable de mesurer l’orientation d’un milieu.Le troisième chapitre décrit la mise au point d’un nouveau fantôme ultrasonore permettant de valider une séquence multiparamétrique 3D comprenant le BTI développé au chapitre II, un Doppler ultrarapide et un SWE.Le quatrième chapitre teste notre méthode d’acquisition 3D (SWE - BTI) sur des tumeurs mammaires humaines ex vivo. En partenariat avec l’Institut Curie, nous apportons de premiers éléments de preuve que le BTI permet de repérer l’organisation des fibres de collagène dans les tumeurs mammaires. Par cette étude, nous montrons que le BTI pourrait également apporter de nouveaux biomarqueurs pertinents pour améliorer la caractérisation non invasive du cancer du sein.Enfin, le dernier chapitre applique notre stratégie d’acquisition multiparamétrique (SWE - BTI - Doppler – ULM) in vivo sur des modèles précliniques transgéniques de cancer du sein. Nous montrons la faisabilité de notre méthode par tomographie. Durant sept semaines de croissance tumorale, pour chaque tumeur, nous avons mesuré la rigidité, cartographié la vascularisation et estimé l’orientation des tissus.Ce travail représente une première étape en vue de l’utilisation de l’imagerie multiparamétrique ultrasonore 3D pour le diagnostic des tumeurs du sein en clinique. À terme, cette méthodologie pourrait permettre de réduire le nombre de biopsies et d’améliorer la prise en charge des patients grâce à une meilleure caractérisation précoce des tumeurs.

Ultrasound imaging is commonly used in clinical practice for the diagnosis of breast cancer. However, it still does not allow us to discriminate benign tumors from cancers, nor to characterize precisely the type of tumor observed. In this PhD thesis, we evaluated the potential contributions of new ultrasound modalities developed in research in recent years to overcome these limitations. We chose to perform our imaging in 3D to describe in all their complexity the tumors, often heterogeneous. For this, we used a linear probe and a set of motors to perform tomographies and reconstruct volumes. This choice was mainly made because of the greater sensitivity of linear probes compared to matrix probes and their greater availability.The first chapter presents the state of the art. It first focuses on a presentation of breast cancer. Without being comprehensive, we highlight the diversity of the disease and present the main screening and diagnostic methods. During its progression, a cancer modifies the behavior of many non-tumoral cells causing important changes in vascularization and the structure of collagen fibers. After a short introduction to biomedical ultrasound, we detail the imaging modalities that were used during this PhD thesis: B-mode for anatomical imaging, shear wave elastography (SWE) for tissue stiffness, ultrafast Doppler for vascularization, ultrasound localization microscopy (ULM) for microvascularization, and backscatter tensor imaging (BTI) for tissue fiber orientation.The second chapter of this thesis introduces a new method to perform 3D BTI using a linear probe and a set of motors. We show on a series of ultrasound phantoms that our BTI method is able to measure the orientation of a medium.The third chapter presents the development of a new ultrasound phantom allowing to validate a 3D multiparametric sequence including the BTI method developed in chapter II, ultrafast Doppler imaging and SWE.The fourth chapter tests our 3D acquisition method (SWE - BTI) on ex vivo human tumors. In collaboration with the Institut Curie, we provide first evidence that BTI can identify collagen organization in tumors. We also demonstrate that BTI could provide new relevant biomarkers to improve the non-invasive characterization of cancer.Finally, the last chapter applies our SWE - BTI - Doppler - ULM acquisition strategy in vivo to preclinical transgenic breast cancer models. We show the feasibility of our tomography-based method. During seven weeks of tumor growth, we measured the tumor’s stiffness, vascularization and fiber orientation.This work represents a first step towards the use of 3D multiparametric ultrasound imaging for clinical diagnosis of breast tumors. In the long run, this methodology could reduce the number of biopsies and improve patient care through early tumor characterization