Cancer characterization using quantitative ultrasound and light backscattering spectroscopy
Méthodes d'ultrasons quantitatifs et spectroscopies optiques de rétrodiffusion pour la caractérisation du cancer
Résumé
Cancer development is characterized by complex processes that occur in different
stages, involving tissue changes at various scales. In a clinical context, cancer characterization aims to identify the hallmark features of cancer to establish the patient’s diagnosis. The initial diagnosis is typically made following a biopsy and histological examinations, which are inherently invasive and resource-intensive. Thus, a minimally invasive tool able to quickly extract diagnostic information could address these limitations.
As a starting point toward this solution, quantitative ultrasound techniques and light backscattering techniques were combined. These techniques aim to extract quantitative estimates that reflect the tissue’s underlying microstructure. Associating these methods could probe the cancer-related changes previously mentioned with a certain complementarity. Indeed, ultrasound and light waves can experience scattering when they encounter variations of acoustic impedance and refractive index respectively. Additionally, medical ultrasound wavelengths are substantially higher than optical visible wavelengths. Therefore, ultrasound and light waves may interact with different cellular components of various sizes, leading to more comprehensive tissue assessment.
Firstly, our bimodal approach was validated on three tissue-mimicking phantoms composed of different microparticle sizes. Combining Backscattering Coefficient (BSC) parametrization and light Enhanced Backscattering Spectroscopy (EBS) allowed to differentiateeach phantom following a qualitative approach. Each technique showed a different sensitivity regarding the scatterer sizes.
Secondly, an ex vivo study on animal models was conducted. In addition to BSC
parametrization and EBS, ultrasound Envelope Statistics (ES) and Light Scattering Spectroscopy (LSS) were combined to characterize two sarcoma subtypes: chondrosarcoma and osteosarcoma. Histological analyses were conducted to serve as references. Threeultrasound parameters and the EBS parameter showed significant differences between chondrosarcomas and osteosarcomas at the 5% level. BSC parametrization identified the mean size of chondrosarcoma cells and nuclei with relative errors of about 22% and 9% respectively. LSS correctly estimated the nucleus and the cell size distributions for chondrosarcomas and osteosarcomas (R2 = 0.80 and R2 = 0.73 respectively).
Thirdly, we investigated the extent to which our bimodal approach could serve as a
solution to monitor the tumor response over time when chemotherapeutic treatments are administered. To do so, we applied the four techniques mentioned above to the same sarcoma subtypes over weeks, injecting a chemotherapeutic drug twice a week into certain rodents and saline solutions to others. Relative tumor volumes, taken as measurements of reference, revealed that all tumors were likely to be non-responders. Several scattering parameters appeared sensitive to the effects of injections of treatment during the first days of treatment. Convergences were then observed between treated and control tumors after the final treatment. Consequently, scattering parameters may have reflected the mechanism of chemotherapy resistance.
Fourthly, the structural effects of ultrasound scattering that can be found in biological
tissues were investigated in a phantom study. To do so, a novel experimental approach
was introduced. The phantom was composed of magnetic particles that had their spatial organization modified by a surrounding magnetic field. The physical meanings of the ultrasound parameters and their concordance were observed in three distinct experiments.
The results reported in this thesis showed that the association of ultrasound and light
scattering is valuable for cancer characterization. Promising results could be obtained in
future studies.
Le développement du cancer se caractérise par des processus complexes se déroulant à
différents stades et impliquant des modifications tissulaires à plusieurs échelles. Dans un contexte clinique, la caractérisation du cancer vise à identifier les traits caractéristiques du cancer afin d’établir le diagnostic du patient. Le diagnostic initial est généralement établi à la suite d’une biopsie et d’examens histologiques, qui sont invasifs par nature et nécessitent des ressources importantes. Un outil relativement peu invasif capable d’extraire rapidement des informations diagnostiques pourrait remédier à ces limitations.
Comme point de départ de cette solution, des techniques quantitatives d’échographie ultrasonores et des techniques de spectrales de rétrodiffusion de la lumière ont été combinées.
Ces méthodes visent à extraire des paramètres quantitatifs qui reflètent la microstructure sous-jacente du tissu sondé. L’association de ces méthodes pourrait permettre de sonder les changements liés au cancer mentionnés précédemment avec une certaine complémentarité. En effet, les ondes ultrasonores et optiques pourraient interagir avec différents composants cellulaires, ce qui permettrait une évaluation plus complète des tissus.
Premièrement, notre approche bimodale a été validée sur trois fantômes composés de
microparticules de différentes tailles. La combinaison de la paramétrisation du coefficient de rétrodiffusion (BSC) et de la spectroscopie de rétrodiffusion augmentée par la lumière (EBS) a permis de différencier chaque fantôme en suivant une approche qualitative.
Deuxièmement, une étude ex vivo sur des modèles animaux a été réalisée. En plus
de la paramétrisation du BSC et de EBS, les statistiques d’enveloppe ultrasonore (ES) et
la spectroscopie de lumière diffusée (LSS) ont été combinées pour caractériser deux sous-types de sarcomes : le chondrosarcome et l’ostéosarcome. Des analyses histologiques ont été réalisées pour servir de référence. La paramétrisation du BSC a permis d’identifier la taille moyenne des cellules et des noyaux des chondrosarcomes avec des erreurs relatives d’environ 22% et 9% respectivement. LSS a correctement estimé les distributions de taille des noyaux et des cellules pour les chondrosarcomes et les ostéosarcomes (R2 = 0,80 et R2 = 0,73 respectivement).
Troisièmement, nous avons étudié les performances de notre approche bimodale pour
évaluer la réponse d’une tumeur au fil du temps lorsque des traitements chimiothérapeutiques sont administrés. Pour ce faire, nous avons appliqué les quatre techniques mentionnées ci-dessus aux mêmes sous-types de sarcomes pendant plusieurs semaines, en injectant un médicament chimiothérapeutique deux fois par semaine à certains rongeurs et de la solution saline à d’autres. Les volumes tumoraux relatifs, considérés comme références, ont révélé que toutes les tumeurs étaient susceptibles d’être non répondeuses. Plusieurs paramètres ultrasonores et optiques sont apparus sensibles aux effets des injections de traitement pendant les premiers jours de traitement. Des convergences ont ensuite été observées entre les tumeurs traitées et témoins après le traitement final. Par conséquent, certains paramètres de diffusion pourraient avoir reflété le mécanisme de résistance à la chimiothérapie.
Quatrièmement, les effets structurels sur la diffusion ultrasonore que l’on peut trouver
dans les tissus biologiques ont été étudiés dans le cadre d’une analyse sur fantôme. Pour ce faire, une nouvelle approche expérimentale a été introduite. Le fantôme était composé de particules magnétiques dont l’organisation spatiale était modifiée par un champ magnétique environnant. Les significations physiques des paramètres ultrasonores et leur concordance ont été constatées dans trois expériences distinctes.
Les résultats rapportés dans cette thèse ont montré que l’association de techniques ultrasonores et optique est pertinente pour la caractérisation du cancer.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)