Academic literature on the topic 'Ultrasons transcrâniens'

Dans l'objectif de traiter les tumeurs cérébrales difficilement accessibles avec les outils chirugicaux actuels, Robeauté développe un microrobot innovant dans l'objectif de naviguer dans les zones cérébrales profondes avec un minimum d'invasivité. L'objectif de cette thèse a été de développer et de valider un système de suivi ultrasonore transcrânien du microrobot afin de pouvoir implémenter des commandes robotiques et garantir ainsi la sûreté et l'efficacité de l'intervention.L'approche proposée consiste à placer trois émetteurs ultrasonores sur la tête du patient, et à embarquer un récepteur ultrasonore sur le microrobot. En connaissant la vitesse du son dans les tissus biologiques et l'épaisseur de crâne traversée, il est possible d'estimer les distances entre les émetteurs et le récepteur par mesure de temps de vol, et d'en déduire sa position 3D par trilatération. Une preuve de concept a d'abord été réalisée à travers un modèle de crâne d'épaisseur constante, démontrant une précision de localisation submillimétrique. Pour se placer dans un contexte clinique, le système a ensuite été évalué à travers un modèle de calvaria dont l'épaisseur et la vitesse du son en face de chaque émetteur ont été déduites par tomodensitométrie. Le système a démontré une précision de localisation moyenne de 1.5 mm, soit une dégradation de la précision d'1 mm comparée à celle du suivi à travers le modèle de crâne d'épaisseur constante, expliquée par l'incertitude apportée par l'épaisseur hétérogène de la calvaria. Enfin, trois tests pré-cliniques, sans possibilité d'évaluer l'erreur de localisation, ont été réalisés : (i) un test post-mortem sur un humain, (ii) un test post-mortem sur une brebis, (iii) et un test in vivo sur une brebis.De futures pistes d'amélioration du système de suivi ont été proposées, telles que (i) l'utilisation de simulation de propagation ultrasonore transcrânienne basée sur une tomodensitométrie pour la prise en compte des hétérogénéités du crâne, (ii) la miniaturisation du capteur ultrasonore embarqué sur le microrobot, (iii) ainsi que l'intégration d'une imagerie ultrasonore pour la visualisation de la vascularisation locale autour du microrobot, permettant ainsi de réduire le risque de lésions et de détecter d'éventuelles angiogenèses pathologiques
With the aim of treating brain tumors difficult to access with current surgical tools, Robeauté is developing an innovative microrobot to navigate deep brain areas with minimal invasiveness. The aim of this thesis was to develop and validate a transcranial ultrasound-based tracking system for the microrobot, in order to be able to implement robotic commands and thus guarantee both the safety and the effectiveness of the intervention.The proposed approach consists in positioning three ultrasound emitters on the patient's head, and embedding an ultrasound receiver on the microrobot. Knowing the speed of sound in biological tissue and the skull thickness crossed, it is possible to estimate the distances from the emitters to the receiver by time-of-flight measurements, and to deduce its 3D position by trilateration. A proof of concept was first carried out using a skull phantom of constant thickness, demonstrating submillimeter localization accuracy. The system was then evaluated using a calvaria phantom whose thickness and speed of sound in front of each emitter were deduced by CT scan. The system demonstrated an mean localization accuracy of 1.5 mm, i.e. a degradation in accuracy of 1 mm compared with the tracking through the skull phantom of constant thickness, explained by the uncertainty brought by the heterogeneous shape of the calvaria. Finally, three preclinical tests, without the possibility of assessing localization error, were carried out: (i) a post-mortem test on a human, (ii) a post-mortem test on a ewe, (iii) and an in vivo test on a ewe.Further improvements to the tracking system have been proposed, such as (i) the use of CT scan-based transcranial ultrasound propagation simulation to take account of skull heterogeneities, (ii) the miniaturization of the ultrasound sensor embedded in the microrobot, (iii) as well as the integration of ultrasound imaging to visualize local vascularization around the microrobot, thereby reducing the risk of lesions and detecting possible pathological angiogenesis

Les échographies de cerveau chez l'adulte sont aujourd'hui de pauvre qualité à cause de l'os du crâne qui absorbe et défocalise fortement les ultrasons. Il est possible de focaliser des ultrasons à travers le crâne en émettant un front d'onde déformé qui, après passage de l'os du crâne, reforme un front d'ondes focalisant. Le calcul des déformations à appliquer au front d'ondes émis se fait par retournement temporel ou par filtre inverse, deux techniques basées sur la mesure et le traitement de fonctions de Green entre les transducteurs de la barrette d'imagerie et les points focaux désirés. Il est nécessaire de disposer des transducteurs ultrasonores au cœur du milieu à imager pour mesurer ces fonctions de Green, ce qui interdit l'application directe de ces techniques pour l'imagerie médicale. Nous montrons ici comment modifier ces techniques de focalisation pour les rendre non intrusives : filtre inverse et retournement temporel non intrusifs améliorent la qualité d'échographies transcrâniennes. La problématique de la thèse : « comment focaliser de manière adaptative à travers un milieu aberrateur sans placer de transducteurs ultrasonores dans le milieu à imager ? », nous a conduit à nous demander « comment avoir accès aux déformations de l'onde transmise à partir de l'analyse de signaux réfléchis par l'aberrateur (mesurables de manière non intrusive)? » Nous avons mis en évidence le lien qui existe entre filtre inverse et cavité à retournement temporel, via les équations de Stokes. D'autre part, nous avons posé les bases d'une manière de rendre le filtre inverse minimalement intrusif, ouvrant des perspectives intéressantes dans le domaine des télécommunications.

L'objectif de cette thèse était d'explorer le potentiel de l’imagerie du cerveau humain par ultrasons. L'anatomie, le flux sanguin et la rigidité des tissus mous ont déjà été étudiés avec l'imagerie ultrasonore ultrarapide chez l'homme et validés sur plusieurs organes, tels que le sein et le foie, mais pas encore sur le cerveau adulte. La principale limitation de l'imagerie échographique transcrânienne est aujourd'hui le très fort artefact d'aberration induit par le crâne. En effet, l’os, de par sa composition ne permet pas la propagation des ultrasons comme ailleurs dans le corps humain. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'imagerie ultrasonore ultrarapide pour l'évaluation de la rigidité des tissus mous et l'imagerie neurofonctionnelle dans le cerveau humain adulte, lors de chirurgies du cerveau afin de contourner dans un premier temps le problème des aberrations induites par le crâne. La dernière partie de cette thèse était axée sur la correction d’aberration pour l’échographie quantitative et l’imagerie ultrasonore transcrânienne. Nous avons tout d’abord fourni plusieurs preuves de l'intérêt d'utiliser l’élastographie par onde de cisaillement pendant la chirurgie du cerveau. Nous avons également présenté notre nouvelle technique d’élastographie par onde de cisaillement en 3D à l'aide d'une sonde matricielle dans le but de pouvoir dépasser les limitations du 2D et notamment être moins dépendant de l’opérateur.Dans un second volet, nous avons démontré la capacité des ultrasons ultrarapides à identifier, cartographier et différencier en profondeur les régions d'activation corticales en réponse à un stimulus, à la fois chez les patients éveillés et chez les patients anesthésiés. Nous avons démontré que l'imagerie neurofonctionnelle par ultrasons a le potentiel de devenir une modalité complète de neuroimagerie avec des avantages majeurs pour une utilisation peropératoire.Dans un troisième volet, nous avons utilisé une technique en trois étapes pour calculer précisément la vitesse du son (SSE) dans un milieu. Cette technique a été testée dans des fantômes ultrasonores et in vivo dans les foies de patients. Dans les deux cas, notre méthode a été capable de trouver la vitesse du son correspondant au milieu. Nous avons démontré que la SSE était liée à la fraction de graisse. Cette analyse a permis de conclure que la SSE était en mesure de distinguer un foie sain et d’un foie malade aussi bien avec la biopsie qu’avec l’IRM comme méthode de référence. Combiné à l'utilisation de la formule de Wood, nous avons même pu avoir accès à une fraction de graisse mesurée par ultrasons de manière non invasive. Puis nous avons combiné la correction d’aberration de phase, d'amplitude et de vitesse du son pour faire de l’imagerie transcrânienne en simulation numérique. Nous avons atteint notre objectif en obtenant des images représentant fidèlement le milieu (position latérale et profondeur) et caractérisées par une résolution et un contraste similaires à ceux obtenus avec une source ponctuelle dans le milieu
The objective of this thesis was to explore the potential of human brain ultrasound imaging. Anatomy, blood flow and soft tissue stiffness have already been studied with ultrafast ultrasound imaging in humans and validated in several organs, such as, the breast and liver but not yet on the adult brain. The main limitation of transcranial ultrasound imaging is today the very strong skull-induced aberration artefact. Indeed, the bone, due to its composition, does not allow for ultrasound propagation as elsewhere in the human body. Therefore, this thesis was focused on the development of ultrafast ultrasound imaging for the evaluation of soft tissue stiffness and neurofunctional imaging in the adult human brain, during brain surgery to bypass the problem of skull aberration, and on an aberration correction technique for transcranial ultrasound imaging.We first provided several evidence of the benefit of using shear wave elastography during brain surgery. We also presented our new technique for 3D shear wave elastography using a matrix array in order to be able to overcome the limitations of 2D imaging and in particular to reduce the operator dependence.In a second phase, we demonstrated the capability of ultrasound to identify, map and differentiate in depth cortical regions of activation in response to a stimulus, both in awake patients and in anaesthetized patients. We have demonstrated that ultrasound neurofunctional imaging has the potential to become a comprehensive modality of neuroimaging with major benefits for intraoperative use. In a third part, we developed a new sound speed estimation (SSE) technique, based on a three-step technique that estimates the sound speed accurately corresponding to the illuminated medium. This technique was tested in ultrasound phantoms and in vivo in patient’s liver. In both cases, our method was able to find the sound speed corresponding to the medium. We demonstrated that SSE was related to the fat fraction. This analysis led to the conclusion that SSE was able to distinguish a healthy liver from a diseased liver with both biopsy and MRI as gold standard. Combined with the use of the Wood’s formula, we were even able to access a fat fraction measured by non-invasive ultrasound. Finally, by combining the phase, the amplitude and the sound speed estimation, we have developed a new aberration correction algorithm to perform transcranial ultrasound imaging. By performing numerical simulations, we obtained images that faithfully represented the medium (lateral position and depth) and characterized by one resolution and one contrast similar to those obtained with a punctual source in the medium

Cette thèse porte sur deux branches majeures de l'utilisation d'agents sensibles aux ultrasons: l'échographie ultrarapide du cerveau assistée par microbulles et la délivrance par ultrasons de médicaments pour la thérapie du cancer. Dans la première approche, des microbulles remplies de gaz fluoré ont été utilisés pour observer l'activation du cerveau à travers le crâne des rongeurs. Nous avons été en mesure de reconstituer de manière non invasive le réseau vasculaire du cerveau, puis de récupérer sa réponse hémodynamique avec une résolution spatio-temporelle élevée. La validation de cette approche d'imagerie fonctionnelle par échographie (FUS) a été facilitée par la grande sensibilité de la technique du Doppler ultrarapide ultrasensible. En effet, cette modalité d'imagerie permet de détecter les changements hémodynamiques dus au couplage neurovasculaire avec une grande résolution (1ms, 100pm). Ces résultats suggèrent que la combinaison des agents de contraste et l'imagerie ultrarapide peut aider à compenser entièrement l'atténuation par le crâne, et ce en préservant la résolution et en augmentant la profondeur de pénétration. L'injection d'agents de contraste ultrasonore a également conduit à des résultats remarquables en imagerie ultrasonore ultrarapide. La barrière de la diffraction a été contournée pour aller au-delà de la limite de demi-longueur d'onde de résolution. Nous avons démontré que des microvaisseaux cérébraux de 9pm de diamètre peuvent être distingués par microscopie échographie ultrarapide de localisation (uULM). Des millions de sources «clignotantes» sont localisées dans l'espace et dans le temps, conduisant à des images super-résolues (cartographie de densité de microbulles) de l'ensemble du réseau vasculaire du cerveau du rat avec une résolution spatiale de À / 10. En outre, les trajets des microbulles au cours du temps ont pu être relevés et ainsi permettre d'extraire les vitesses des flux sanguins avec une grande dynamique. Dans la seconde approche, nous avons exploité la manière dont nous pouvons contrôler, spatialement et temporellement, la vaporisation de micro gouttes composites de perfluorocarbone (PFC) lorsque leur activation est déclenchée par de courtes impulsions ultrasonore. Le concept de "chimie in-situ" est introduit dès lors que nous avons été en mesure de contrôler une réaction chimique spontanée in vitro. En outre, dans le cadre des applications in vivo de la chimie in situ, un nouveau dispositif microfluidique en verre a été proposé afin de permettre une production stable et rapide de gouttes monodisperses. Ce nouveau dispositif présente 128 générateurs en parallèles avec deux canaux sous pression. Finalement, de nouvelles séquences d'échographie de contrôle ultra-rapides ont été développées dans le but de contrôler et de surveiller la libération des gouttelettes composites
This thesis focuses on two main branches of the application of ultrasound contrast agents: microbubbles-aided ultrafast ultrasound imaging of the brain and ultrasound-triggered drug delivery for cancer therapy. At first, gas-filled microbubbles have been used to retrieve the brain activation through the skull in large animais. With this approach we have been able to non-invasively reconstruct the cerebral network of the brain, as well as retrieve its hemodynamic response to specific evoked tasks with high spatiotemporal resolution. The validation of this novel functional ultrasound (fUS) imaging approach was facilitated by the high sensitivity of the ultrasensitive Doppler technique able to detect subtle hemodynamic changes due to the neurovascular coupling. These resuits suggested that combining microbubbles injections with ultrafast imaging may help to fully compensate for the attenuation from the skull. Indeed, by combining both, we preserved resolution and increased penetration depth. The injection of ultrasound contrast agents has also lead to outstanding resuits in ultrafast ultrasound imaging by breaking the diffraction barrier and move beyond the half-wavelength limit in resolution. We have demonstrated that cerebral microvessels of 9pm in diameter can me distinguished via ultrafast ultrasound localization microscopy (uULM). Millions of blinking sources were localized in space and in time in few seconds in a higher dimensional space, leading to super-resolved images (microbubble density map) of the whole rat brain with a spatial resolution of À/10. Moreover, a displacement vector allowed microbubbles-tracking within frames yielding to in-plane velocity measurements retrieving a large dynamic of cerebral blood velocities. Next, we have exploited how we can spatiotemporally control the vaporization of composite perfluorocarbon (PFC) microdroplets when their activation is triggered by short ultrasound pulses. The concept 'chemistry in-situ' is introduced as we have been able to control a spontaneous chemical reaction in-vitro. Moreover, a new microfluidic device in glass has been proposed to robustly produce monodisperse droplets for future in-vivo applications of the chemistry in situ. This new device presents 128-parallel generators with two pressurized rivers. Eventually, new ultrafast ultrasound monitoring sequences have been developed in order to control and monitor the release of composite droplets

Mes travaux de thèse portent sur l’application de l’imagerie fUS (functional ultrasound imaging) à l’imagerie cérébrale préclinique chez le petit animal. Le but était de transformer cette technique d’imagerie cérébrale récente en un véritable outil de quantification de l’état cérébral. Les objectifs principaux ont été de démontrer la faisabilité de l’imagerie fUS chez le petit animal non anesthésié ainsi que de passer du modèle rat au modèle souris - modèle de choix en imagerie préclinique en neurosciences - de surcroît de façon non invasive. J’ai tout d’abord mis au point une nouvelle séquence d’imagerie ultrasonore ultrarapide (Multiplane Wave imaging), permettant d’améliorer le rapport signal-à-bruit des images grâce à l’augmentation virtuelle de l’amplitude du signal émis, sans diminuer la cadence ultrarapide d’acquisition. Dans un deuxième temps j’ai démontré la possibilité d’imager le cerveau de la souris et du jeune rat anesthésiés par échographie Doppler ultrarapide, de manière transcrânienne et complètement non invasive, sans chirurgie ni injection d’agents de contraste. J’ai ensuite mis au point un montage expérimental, une séquence ultrasonore et un protocole expérimental permettant de réaliser de l’imagerie fUS de manière minimalement invasive chez des souris éveillées et libres de leurs mouvements. Enfin, j’ai démontré la possibilité d’utiliser le fUS pour étudier la connectivité fonctionnelle du cerveau au repos (sans stimulus) chez des souris éveillées ou sédatées. L’imagerie fUS et la combinaison « modèle souris » + « minimalement invasif » + « animal éveillé » + « connectivité fonctionnelle » constituent un outil précieux pour la communauté des neuroscientifiques travaillant sur des modèles animaux pathologiques ou de nouvelles molécules pharmacologiques
My work focuses on the application of fUS (functional ultrasound) imaging to preclinical brain imaging in small animals. The goal of my thesis was to turn this recent vascular brain imaging technique into a quantifying tool for cerebral state. The main objectives were to demonstrate the feasibility of fUS imaging in the non-anaesthetized small rodents and to move from rat model imaging to mouse model imaging –most used model for preclinical studies in neuroscience-, while developing the least invasive imaging protocols. First, I have developed a new ultrafast ultrasonic imaging sequence (Multiplane Wave imaging), improving the image signal-to-noise ratio by virtually increasing emitted signal amplitude, without reducing the ultrafast framerate. Then, I have demonstrated the possibility to use ultrafast Doppler ultrasound imaging to image both the mouse brain and the young rat brain, non-invasively and through the intact skull, without surgery or contrast agents injection. Next, I have developed an experimental setup, an ultrasound sequence and an experimental protocol to perform minimally invasive fUS imaging in awake and freely-moving mice. Finally, I have demonstrated the possibility to use fUS imaging to study the functional connectivity of the brain in a resting state in awake or sedated mice, still in a transcranial and minimally invasive way. fUS imaging and the combination of "mouse model" + "minimally invasive" + "awake animal" + "functional connectivity" represent a very promising tool for the neuroscientist community working on pathological animal models or new pharmacological molecules