Thesis by LALOY-BORGNA Gabrielle
Micro-elastography: mechanical caracterization of cells using elastic waves
Defended on 14 april 2023
Dyanmic elastography is an imaging method to measure the elasticity of biological tissues in a non-invasive and quantitative way. Recently, the transposition of the technique to a small scale has been called dynamic micro-elastography and has allowed the first measurements of cellular elasticity by shear waves using an optical microscope. This thesis aims to undetstand the limits of this technique and to develop new micro-elastography methods, to test new wave sources but also potential applications of the technique. In a first step, the dispersion of shear waves was studied on gelatin phantoms. Two distinct regimes of guided elastic waves and shear waves were identified. The high-frequency limit of wave propagation was also explored, establishing the existence of a cutoff frequency which explains the absence of ultrasonic shear imaging. The same approach was then applied to visco-elastic fluids, revealing two cutoff frequencies and revisiting previous studies on rheology and wave propagation in this type of medium. Then, the initial objective being to carry out micro-elastography on single cells and the experiments previously carried out with micro-pipettes presenting certain defects, an original method of cellular micro-elastography was developed. An oscillating microbubble is used as a contactless shear wave source at 15 kHz to perform experiments on blood cellswhose diameter is about 15 μm. These are the smallest objects ever explored by elastography. Larger objects, cell clusters of a few tens of thousands of cells have also been studied. Indeed, since ultrasound elastography of these tumour models of about 800μm in diameter is impossible, optical micro-elastography is a suitable technique. These samples contain magnetic nanoparticles, so a magnetic pulse could be used as a wave source. Previously, proofs of concept on both macroscopic (in ultrasonic elastography) and microscopic (in optical microelastography) phantoms were conducted to validate the use of this diffuse field source. Finally, pulse wave measurements were performed on retinal arteries of about 50 μm in diameter using laser Doppler holography acquisitions performed in vivo. The application of monochromatic correlation algorithms allowed the measurement of guided wave velocities, finally revealing the existence of a second pulse wave, an antisymmetric bending wave. This guided wave, much slower than the axisymmetric pulse wave studied so far, was also observed on the carotid artery thanks to ultrafast ultrasound acquisitions.
Micro-élastographie : caractérisation mécanique de la cellule par ondes élastiques
Soutenue le 14 April 2023
L’élastographie ondulatoire est une méthode d’imagerie visant à mesurer l’élasticité des tissus biologiques de façon non-invasive et quantitative. Récemment, la transposition de la technique à petite échelle baptisée micro-élastographie dynamique a permis de réaliser de premières mesures d’élasticité cellulaire par ondes de cisaillement grâce à un microscope optique. Cette thèse s’attache à en comprendre les limites et à développer de nouvelles méthodes de microélastographie, à tester de nouvelles sources d’ondes mais également des applications potentielles de la technique. Dans un premier temps, la dispersion d’ondes de cisaillement a été étudiée sur des gels de gélatine. Deux régimes distincts d’ondes élastiques guidées et d’ondes de cisaillement ont été identifiés. La limite haute fréquence de propagation des ondes a également été explorée, permettant d’établir l’existence d’une fréquence de coupure expliquant l’absence d’imagerie ultrasonore de cisaillement. La même approche a ensuite été appliquée à des fluides viscoélastiques faisant apparaître deux fréquences de coupure et permettant de revisiter les études déjà menées sur la rhéologie et la propagation d’ondes dans ce type de milieux. Puis, l’objectif initial étant de réaliser de la micro-élastographie sur des cellules uniques et les expériences précédemment réalisées avec des micro-pipettes présentant certains défauts, une méthode originale de micro-élastographie cellulaire a été développée. Une micro-bulle oscillante est utilisée comme source d’ondes de cisaillement sans contact à 15 kHz, pour réaliser des expériences sur des cellules sanguines appelées mégacaryocytes dont le diamètre est d’environ 15 μm. Il s’agit en fait des plus petits objets jamais explorés par élastographie. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l’élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d’environ 800μm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d’ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en microélastographie optique) ont été menées pour valider l’utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d’ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d’environ 50 μm de diamètre à partir d’acquisitions d’holographie Doppler laser réalisées in vivo. L’application d’algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d’ondes guidées révélant l’existence d’une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l’onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu’à présent, a également été observée sur l’artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l’élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d’environ 800μm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d’ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en microélastographie optique) ont été menées pour valider l’utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d’ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d’environ 50 μm de diamètre à partir d’acquisitions d’holographie Doppler laser réalisées in vivo. L’application d’algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d’ondes guidées révélant l’existence d’une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l’onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu’à présent, a également été observée sur l’artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides.
Defended on 14 april 2023
Dyanmic elastography is an imaging method to measure the elasticity of biological tissues in a non-invasive and quantitative way. Recently, the transposition of the technique to a small scale has been called dynamic micro-elastography and has allowed the first measurements of cellular elasticity by shear waves using an optical microscope. This thesis aims to undetstand the limits of this technique and to develop new micro-elastography methods, to test new wave sources but also potential applications of the technique. In a first step, the dispersion of shear waves was studied on gelatin phantoms. Two distinct regimes of guided elastic waves and shear waves were identified. The high-frequency limit of wave propagation was also explored, establishing the existence of a cutoff frequency which explains the absence of ultrasonic shear imaging. The same approach was then applied to visco-elastic fluids, revealing two cutoff frequencies and revisiting previous studies on rheology and wave propagation in this type of medium. Then, the initial objective being to carry out micro-elastography on single cells and the experiments previously carried out with micro-pipettes presenting certain defects, an original method of cellular micro-elastography was developed. An oscillating microbubble is used as a contactless shear wave source at 15 kHz to perform experiments on blood cellswhose diameter is about 15 μm. These are the smallest objects ever explored by elastography. Larger objects, cell clusters of a few tens of thousands of cells have also been studied. Indeed, since ultrasound elastography of these tumour models of about 800μm in diameter is impossible, optical micro-elastography is a suitable technique. These samples contain magnetic nanoparticles, so a magnetic pulse could be used as a wave source. Previously, proofs of concept on both macroscopic (in ultrasonic elastography) and microscopic (in optical microelastography) phantoms were conducted to validate the use of this diffuse field source. Finally, pulse wave measurements were performed on retinal arteries of about 50 μm in diameter using laser Doppler holography acquisitions performed in vivo. The application of monochromatic correlation algorithms allowed the measurement of guided wave velocities, finally revealing the existence of a second pulse wave, an antisymmetric bending wave. This guided wave, much slower than the axisymmetric pulse wave studied so far, was also observed on the carotid artery thanks to ultrafast ultrasound acquisitions.
Micro-élastographie : caractérisation mécanique de la cellule par ondes élastiques
Soutenue le 14 April 2023
L’élastographie ondulatoire est une méthode d’imagerie visant à mesurer l’élasticité des tissus biologiques de façon non-invasive et quantitative. Récemment, la transposition de la technique à petite échelle baptisée micro-élastographie dynamique a permis de réaliser de premières mesures d’élasticité cellulaire par ondes de cisaillement grâce à un microscope optique. Cette thèse s’attache à en comprendre les limites et à développer de nouvelles méthodes de microélastographie, à tester de nouvelles sources d’ondes mais également des applications potentielles de la technique. Dans un premier temps, la dispersion d’ondes de cisaillement a été étudiée sur des gels de gélatine. Deux régimes distincts d’ondes élastiques guidées et d’ondes de cisaillement ont été identifiés. La limite haute fréquence de propagation des ondes a également été explorée, permettant d’établir l’existence d’une fréquence de coupure expliquant l’absence d’imagerie ultrasonore de cisaillement. La même approche a ensuite été appliquée à des fluides viscoélastiques faisant apparaître deux fréquences de coupure et permettant de revisiter les études déjà menées sur la rhéologie et la propagation d’ondes dans ce type de milieux. Puis, l’objectif initial étant de réaliser de la micro-élastographie sur des cellules uniques et les expériences précédemment réalisées avec des micro-pipettes présentant certains défauts, une méthode originale de micro-élastographie cellulaire a été développée. Une micro-bulle oscillante est utilisée comme source d’ondes de cisaillement sans contact à 15 kHz, pour réaliser des expériences sur des cellules sanguines appelées mégacaryocytes dont le diamètre est d’environ 15 μm. Il s’agit en fait des plus petits objets jamais explorés par élastographie. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l’élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d’environ 800μm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d’ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en microélastographie optique) ont été menées pour valider l’utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d’ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d’environ 50 μm de diamètre à partir d’acquisitions d’holographie Doppler laser réalisées in vivo. L’application d’algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d’ondes guidées révélant l’existence d’une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l’onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu’à présent, a également été observée sur l’artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l’élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d’environ 800μm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d’ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en microélastographie optique) ont été menées pour valider l’utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d’ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d’environ 50 μm de diamètre à partir d’acquisitions d’holographie Doppler laser réalisées in vivo. L’application d’algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d’ondes guidées révélant l’existence d’une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l’onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu’à présent, a également été observée sur l’artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides.
