Quantification of tissue perfusion using contrast-enhanced ultrasound : toward robust exam comparison
Quantification of tissue perfusion from dynamic contrast-enhanced ultrasound data relies on appropriate modeling of the curve representing the evolution of the contrast-agent concentration inside the studied tissue. Many factors, experimental or physiological, make inter-subject or intra-subject comparison of these perfusion parameters difficult. In this thesis, the reproducibility and the comparison of various quantification methods was investigated through preclinical test-retest experiments and through simulations. The investigated methods were: the log-normal model, the one-compartment model using an arterial input function, and the one-compartment model using a reference tissue. The preclinical experiments revealed the difficulty to estimate an arterial input function directly from the image, as well as the necessity to locally correct for the time of arrival of the contrast agent in the tissue in order to ensure the model accurately fits the experimental enhancement curves. A regularized linear estimation of the parameters of the one-compartment model using a reference tissue taking advantage of multiple tissue regions was then proposed to obtain homogeneous relative values of the tissue blood flow and tissue blood volume, expressed relatively to the parameter value inside the reference tissue. The improved robustness and reproducibility of the method was demonstrated. The influence of factors such as the exam duration, the sampling frequency, the number of tissue regions in the analysis, and the noise amplitude were investigated through simulations, and allowed us to formulate recommendations regarding the acquisition and the analysis of contrast-enhanced ultrasound studies.
La quantification de la perfusion tissulaire aĢ partir de donneĢes dynamiques dāeĢchographie de contraste repose sur une modeĢlisation approprieĢe de la cineĢtique de la concentration en agent de contraste dans le tissu eĢtudieĢ. De nombreux facteurs, expeĢrimentaux ou physiologiques, rendent la comparaison inter ou intra-individu de ces parameĢtres de perfusion difficile. Dans cette theĢse, la reproductibiliteĢ et la comparaison de diffeĢrentes meĢthodes de quantification ont eĢteĢ eĢtudieĢes dans le cadre dāune eĢtude preĢclinique de test-retest et sur des simulations numeĢriques. Les meĢthodes eĢtudieĢes ont eĢteĢ : le modeĢle log-normal, le modeĢle compartimental avec fonction dāentreĢe et le modeĢle compartimental avec tissu de reĢfeĢrence. Les eĢtudes preĢcliniques ont montreĢ la difficulteĢ dāestimation dāune fonction dāentreĢe arteĢrielle et la neĢcessiteĢ de corriger localement le temps dāarriveĢe de lāagent de contraste dans le tissu pour que lāapproximation des cineĢtiques expeĢrimentales par le modeĢle soit de qualiteĢ suffisante. Une estimation lineĢaire sous contrainte des parameĢtres du modeĢle compartimental avec tissu de reĢfeĢrence tirant profit de diffeĢrentes zones dāinteĢreĢt dans lāimage a eĢtĆ© ensuite proposeĢe pour obtenir aĢ lāeĢchelle reĢgionale et/ou locale des valeurs relatives coheĢrentes de deĢbit sanguin tissulaire et de volume sanguin tissulaire, exprimeĢes par rapport aux valeurs dans le tissu de reĢfeĢrence. Il a eĢteĢ montreĢ que cette approche est la plus robuste et la plus reproductible. Lāinfluence des facteurs tels que la dureĢe dāacquisition, la freĢquence dāeĢchantillonnage, le nombre de reĢgions utiliseĢes et lāamplitude du bruit a eĢteĢ eĢtudieĢe sur des simulations et a permis de formuler des recommandations pour lāacquisition et le traitement des eĢtudes en eĢchographie de contraste.
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01695515/file/2017PA066255.pdf