Développement d'un cathéter multimodal visant l'étude de la plaque d'athérosclérose

L'objectif de cette thèse est de concevoir et valider un système d'imagerie par cathéter visant l'étude de la plaque d'athérosclérose. L'innovation repose dans l'intégration de plusieurs modalités d'imagerie dans un seul appareil. En effet, le système combine des techniques d'imagerie anatomique et moléculaire. Ceci permet d'obtenir de l'information riche et diversifiée en temps réel à propos de la plaque d'athérosclérose. Le système conçu permet d'effectuer simultanément l'imagerie ultrasonore intravasculaire (IVUS), l'imagerie photoacoustique intravasculaire (IVPA), ainsi que l'imagerie de fluorescence intravasculaire (NIRF). L'élastographie intravasculaire (IVE) est également possible en post-traitement. L'hypothèse de travail est que la combinaison de l'ensemble de ces techniques d'imagerie permet une étude plus détaillée que l'utilisation d'une seule modalité. L'IVUS est une technique d'imagerie morphologique largement utilisée en recherche clinique qui permet d'obtenir en temps réel des séries de coupes transversales des artères à haute résolution. La paroi artérielle peut être étudiée afin d'identifier certains types de plaque. L'IVUS est la composante principale du système d'imagerie par cathéter conçu dans le cadre de ce projet. Bien que cette technique d'imagerie permette de visualiser l'anatomie générale de l'artère, elle permet difficilement de caractériser les composantes principales d'une plaque vulnérable. Afin de complémenter l'IVUS, des techniques d'imagerie moléculaire, l'IVPA et la NIRF, ont été incorporées au système. Le but est d'étudier le développement de la plaque à un stade d'évolution plus précoce, alors qu'il y a inflammation de la paroi artérielle, mais une accumulation insuffisante de dépôts lipidiques pour être visibles en IVUS. L'imagerie moléculaire a le potentiel de mieux caractériser les plaques vulnérables, qui sont plus susceptibles de subir des complications, telle une thrombose. Une des applications potentielles est l'étude de l'effet de nouveaux médicaments, qui ne se traduit pas nécessairement par un changement anatomique perceptible en IVUS, mais plutôt par un changement au niveau moléculaire. L'IVE permet d'obtenir de l'information quantitative à propos des propriétés élastiques de la paroi artérielle. Elle vise à complémenter l'IVUS en fournissant des propriétés mécaniques de l'artère et en évaluant la vulnérabilité de la plaque d'athérosclérose. La première contribution de ce travail contient une description détaillée du système d'imagerie par cathéter qui a été conçu. Une preuve de concept est ensuite présentée en exposant des résultats sur fantômes exprimant un contraste dans toutes les modalités d'imagerie intégrées au système : l'IVUS, l'IVPA, la NIRF et l'IVE.La deuxième contribution pousse la validation du système plus loin en évaluant le potentiel de détection de la plaque d'athérosclérose in vivo chez le lapin. La combinaison de l'IVUS et de la NIRF, avec injection d'un biomarqueur, soit le vert d'indocyanine (ICG), a permis la détection de certaines plaques et a été comparée avec des techniques d'imagerie ex vivo. La performance ainsi que la reproductibilité des mesures ont été évaluées. La troisième contribution est reliée à la colocalisation des images en IVUS et en NIRF obtenues chez le lapin avec des images ex vivo volumétriques à très haute résolution. Les images ex vivo sont comparées à celles obtenues avec le cathéter, afin de mieux apprécier les capacités et les limites du système d'imagerie in vivo conçu.

Abstract

The aim of this thesis is to design and validate a catheter imaging system for the study of the atherosclerotic plaque. The innovation resides in the integration of multiple imaging modalities in a single device. Indeed, the system combines anatomical and molecular imaging techniques. This allows obtaining rich and diversified information in real time about the atherosclerotic plaque.The designed system allows simultaneously performing intravascular ultrasound imaging (IVUS), intravascular photoacoustic imaging (IVPA) and intravascular fluorescence (NIRF). Intravascular elastography (IVE) is also possible in post-processing. The hypothesis of this work is that the combination of all these imaging techniques allows a more detailed study than the usage of a single modality.IVUS is a morphological imaging technique widely used in preclinical research that allows obtaining in real time series of cross sections of arteries at a high resolution. The artery wall can be studied to identify certain types of plaque. IVUS is the main component of the catheter imaging system designed in this project. While this imaging technique allows visualizing the general anatomy of the artery, it is not well suited for characterizing the main components of a vulnerable plaque. To complement IVUS, molecular imaging techniques, IVPA and NIRF, were incorporated to the system. The goal is to study the development of the plaque at an earlier evolution stage when there is inflammation in the artery wall, but an insufficient accumulation of lipids to be visible in IVUS. Molecular imaging has the potential to better characterize vulnerable plaques, which are more prone to complications, such as thrombosis. One of the potential applications is the study of the effect of new drugs, that doesn't always translate by an anatomical change perceptible in IVUS, but rather a change at the molecular level. IVE allows obtaining quantitative information about elastic properties of the artery wall. It aims at complementing IVUS by providing mechanical properties of the artery and by evaluating the vulnerability of atherosclerotic plaque. The first contribution to this work contains a detailed description of the designed catheter imaging system. A proof of concept is then presented by exposing results on phantoms with contrasts in all the imaging modalities integrated to the system: IVUS, IVPA, NIRF and IVE. The second contribution further validates the system by evaluating the detection potential of atherosclerotic plaque in vivo on rabbits. The IVUS and NIRF combination, with the injection of a biomarker, indocyanine green (ICG), allowed the detection of certain plaques and was compared to ex vivo imaging techniques. The performance and the reproducibility of the measures were evaluated. The third contribution is related to the colocalisation of IVUS and NIRF images obtained in rabbits with volumetric ex vivo images at a very high resolution. Ex vivo images are compared to the ones obtained with the catheter, in order to better appreciate the capabilities and the limitations of the designed in vivo imaging system.