Дисертації з теми "Thérapie ultrasonore"

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a promising technique for the treatment of localized cancers. The ability to focus ultrasound precisely on a predetermined volume allows the possibility of selective tissue destruction at this position without damage to surrounding tissues. However, many difficulties remain in the treatment of deep-seated tumors. In this thesis, new therapeutic and monitoring techniques are proposed to address these problems, by using phased arrays of ultrasound transducers. Two monitoring techniques based on the detection of the displacements of the ultrasonic speckle are developed, and allowed us to image the changes in the temperature and the shear modulus during HIFU therapy. In-vitro ultrasound-guided experiments are performed. Secondly, the problem of organs motion during the treatment is addressed. A method for real-time tracking the 3D motion of tissues is combined with a 2D High Intensity Focused Ultrasound multi-channel system in order to correct the respiratory motion during HIFU therapies. In the last section of this thesis, a high power ultrasonic system is developed for transcranial HIFU brain therapy. The skulls aberrations are corrected using a time reversal mirror thanks to an implanted hydrophone. In-vivo experiments are conducted on 22 sheep with minimally invasive surgery. Finally, a non-invasive protocol based on CT scans of the entire skull is developed and allows the prediction of the skulls aberrations and the skull overheating.

Les arythmies ventriculaires constituent un enjeu de santé publique majeur. Chaque année, 200.000 à 350.000 européens sont touchés par la mort subite cardiaque. L’ablation par radiofréquence est le traitement de référence de ces pathologies et permet de détruire ou isoler les foyers arythmogènes. Cependant, son efficacité est limitée. Les ultrasons focalisés de haute intensité se sont présentés comme une alternative prometteuse grâce à leur capacité à produire des lésions thermiques précises en profondeur, avec une source émettrice à distance de la cible, sans léser les tissus intermédiaires. L’oesophage offrant une bonne fenêtre acoustique sur le coeur, l’utilisation d’une sonde ultrasonore par cet abord permet de créer des lésions thermiques transmurales sur les parois ventriculaires. Une nouvelle sonde oesophagienne ultrasonore plane, fonctionnant à 2,6 MHz, composée de 32 anneaux de thérapie et deux barrettes d’imagerie perpendiculaires bimodales, a donc été conçue afin de guider les procédures et traiter les régions cibles situées à une distance maximale de 10 cm de profondeur. Elle a été caractérisée acoustiquement, et testée in vitro sur des pièces anatomiques de coeur et ex vivo sur des coeurs isolés perfusés Langendorff pour vérifier sa capacité à produire des lésions. La faisabilité a été vérifiée in vitro mais des limites inhérentes au dispositif et au modèle anatomique complexe ont empêché la création de lésions dans le modèle ex vivo. Un modèle numérique de simulation d’ablations thermiques par HIFU sur un coeur mobile et déformé a été développé en parallèle afin de prévoir l’impact du mouvement sur l’efficacité des traitements ultrasonores. Des expérimentations sur des gels thermosensibles ont vérifié la capacité du modèle à déterminer le volume des lésions produites dans un gel. Des essais sur des coeurs Langendorff ont également permis d’évaluer la précision du modèle pour déterminer la variation de température dans un coeur mobile et perfusé durant un traitement ultrasonore. Un écart entre les valeurs numériques et expérimentales est observable, mais le modèle suffit à étudier une variation relative du chauffage
Ventricular arrhythmias are a major public health issue. Sudden cardiac death is responsible for 200,000 to 350,000 deaths in Europe, each year. Radiofrequency ablation is the gold standard to treat these pathologies. The procedure consists in ablating or isolating electrically arrhythmogenic regions. However, its efficiency is limited. High intensity focused ultrasound is a promising alternative through its ability to create precise thermal lesions deeply, at distance from the transducer, without damaging intervening tissues. Esophageal approach offers a good acoustic window on the heart. Thus, transesophageal ultrasonic probe could create transmural thermal lesions on ventricular walls. A transesophageal 2.6-MHz plane ultrasound probe, composed of 32 therapy rings and two perpendicular bimodal imaging transducers was developed to guide procedures and to treat targeted regions located at a maximum distance of 10 cm. It was characterized acoustically. Then, in vitro experiments on cardiac tissues and ex vivo experiments on isolated perfused porcine hearts were conducted to confirm the probe ability to create lesions. The aim was achieved in vitro but the technical limits and the complex heart model prevent the probe from creating lesions ex vivo. A numerical model to simulate HIFU thermal ablations in mobile and deformable heart was also developed to predict how motion affects HIFU treatment efficiency. Experiments on thermosensitive gels validated the model ability to determine lesion volume in gel. However, experiments conducted on Langendorff hearts demonstrated that there was a difference between numerical and experimental results. Thus, the model is not accurate enough to compute precise temperature measurements in mobile and perfused heart during HIFU treatment, but it can provide relative results on heating variation

L'objectif de cette thèse est l'étude d'agents de contraste ultrasonore (ACU) pour l'imagerie et la thérapie. Pour cela, des expériences ont été mises en place afin de caractériser leurs propriétés acoustiques et physiques. Deux nouveaux types d'agents de contraste ont été testés : des particules à coques épaisses polymérique (PLGA) et des particules à coque fine télomérique (FTAC). Des mesures effectuées sur les premières particules ont permis de comparer les ACU de taille nanométrique et micrométrique. Les résultats montrent que l'épaisseur de la coque des ACU gouverne leur comportement en terme de signal rétrodiffusé. De plus, ils présentent un signal suffisant in vitro. Ces ACU sont stables et leurs propriétés physiques facilement modifiables. Nous avons ensuite procédé à des mesures de destruction pour vérifier leur capacité à être utilisés comme vecteurs de médicaments. Ces particules se sont révélées trop robustes. Il est donc nécessaire de les optimiser afin de les utiliser comme vecteurs de principe actif. Suite à cette étude, nous nous sommes orientés vers la fabrication de nouveaux agents de contraste avec une coque fine faite à partir de FTAC. Avec ces agents nous avons conduit les mêmes mesures que précédemment et avons obtenus un très bon signal rétrodiffusé in vitro. La possibilité pour ces agents d'être détruits par une onde ultrasonore de forte intensité a également été validée. Ce dernier type d'ACU représente donc un bon candidat d'agent de contraste ultrasonore à la fois pour l'imagerie et la thérapie. En parallèle, des simulations en différences finies nous ont permis de modéliser la réponse d'une solution d'agents de contraste à une onde ultrasonore. Ces résultats nous permettent de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu et d'interpréter les résultats expérimentaux obtenus.

L'initiation de la cavitation dans un milieu aqueux se traduit par l'apparition d'une ou plusieurs inclusions gazeuses micrométriques. Elle peut être obtenue acoustiquement par activation de nucléi, et est alors nommée nucléation acoustique de bulles. Nous nous intéressons à la nucléation induite par excitation brève (quelques cycles) et de forte amplitude (ordre du MPa). Les bulles, créés par la dépression acoustique, sont transitoires (dissolution). Les propriétés des tissus biologiques en terme de nucléation de bulles sont peu connues. Elles sont accessibles acoustiquement, car la formation d'une bulle engendre l'apparition d'un nouveau diffuseur, détectable activement (échographie). De plus, chaque évènement de cavitation conduit à une émission acoustique, enregistrable en écoute passive. Ce travail de thèse utilise l'imagerie ultrasonore ultrarapide (acquisition simultanée à forte cadence sur un réseau de transducteurs) afin de détecter et étudier les évènements de cavitation. D'une part, la nucléation de bulles isolées et leur détection passive à travers le crâne permettent, via le retournement temporel, d'optimiser la focalisation adaptative pour une thérapie ultrasonore non invasive du cerveau. D'autre part, la formation de bulles dans les tissus biologiques diffusants (muscle) et leur dissolution sont détectées avec une grande sensibilité en combinant détection passive et active. Des expérimentations in vivo sur encéphale de mouton, et in vitro sur sang animal montrent de plus le caractère aléatoire de la nucléation dans les tissus biologiques, et le recourt à des pressions négatives fortes (< -12MPa) pour observer son occurrence in vivo.

Présentés pour la première fois en 1994, les transducteurs ultrasonores capacitifs micro- usinés, ou CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers), représentent une technologie alternative aux matériaux piézoélectriques pour la transduction électroacoustique. En particulier, leur souplesse de conception et leur haut degré de miniaturisation en font des candidats privilégiés pour le développement de sondes mixtes complexes alliant thérapie et imagerie par ultrasons. C’est dans ce contexte que s’est inscrit ce travail de thèse, dédié au développement d’une première sonde CMUT mixte. Le document débute par une présentation générale de la technologie et du contexte du projet. Puis, le développement est présenté, en commençant par les étapes préliminaires de modélisation numérique jusqu’aux caractérisations les plus avancées du prototype fabriqué. Les résultats démontrent l’intérêt de la technologie pour les applications visées
Presented for the first time in 1994, capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT) are a promising alternative to the piezoelectric technology for electroacoustic transduction. Particularly, their intrinsic design flexibility and miniaturization capability are strong advantages for the manufacturing of high-end Ultrasound-guided Focused Ultrasound (USgFUS) probes. The work presented in this Ph.D. dissertation is devoted to the f irst development of a USgFUS CMUT probe. After a general introduction of the CMUT technology and the context of this research project, the development is reported starting from the preliminary numerical studies to the most advanced characterizations of the fabricated device. The first results demonstrate the benefits of this technology for the targeted applications

L'initiation de la cavitation dans un milieu aqueux se traduit par l'apparition d'une ou plusieurs inclusions gazeuses micrométriques. Elle peut être obtenue acoustiquement par activation de nucléi, et est alors nommée nucléation acoustique de bulles. Nous nous intéressons à la nucléation induite par excitation brève (quelques cycles) et de forte amplitude (ordre du MPa). Les bulles, créés par la dépression acoustique, sont transitoires (dissolution). Les propriétés des tissus biologiques en terme de nucléation de bulles sont peu connues. Elles sont accessibles acoustiquement, car la formation d'une bulle engendre l'apparition d'un nouveau diffuseur, détectable activement (échographie). De plus, chaque événement de cavitation conduit à une émission acoustique, enregistrable en écoute passive. Ce travail de thèse utilise l'imagerie ultrasonore ultrarapide (acquisition simultanée à forte cadence sur un réseau de transducteurs) afin de détecter et étudier les événements de cavitation. D'une part, la nucléation de bulles isolées et leur détection passive à travers le crâne permettent, via le retournement temporel, d'optimiser la focalisation adaptative pour une thérapie ultrasonore non invasive du cerveau. D'autre part, la formation de bulles dans les tissus biologiques diffusants (muscle) et leur dissolution sont détectées avec une grande sensibilité en combinant détection passive et active. Des expérimentations in vivo sur encéphale de mouton, et in vitro sur sang animal montrent de plus le caractère aléatoire de la nucléation dans les tissus biologiques, et le recourt à des pressions négatives fortes (< -12MPa) pour observer son occurrence in vivo
The onset of cavitation activity in an aqueous medium is linked to the formation of gas/vapour-filled cavities of micrometric size. This formation can be acoustically mediated and is then called acoustic bubble nucleation. We focus here in the activation of seed nucléi by short (a few cycles) and high amplitude ultrasonic excitation (order of magnitude MPa). Bubbles are generated during the rarefaction phase of the wave and are transient (they dissolve). The nucleation properties of biological tissues are little known. However, they can be assessed using ultrasound: the formation of a bubble results in the appearance of a new scatterer (which can be detected with a pulse-écho detection), and each cavitation event generates an acoustic emission (detected with passive reception). In n this PhD manuscript, we use ultrafast ultrasound imaging (simultaneous acquisition on an array of transducers with a high frame rate) to detect cavitation events. Two in vitro applications were first validated. On one hand, bubble nucleation was performed through a human skull, and transcranial passive detection of a single cavitation event was used in a time reversal process to optimize adaptive focusing for thermal therapy of brain tissue. On the other hand, the formation and dissolution of bubbles in scattering biological tissues (muscle) were detected with a high sensitivity by combining passive detection and ultrafast active imaging. Finally, in vivo experiments on sheep's brain, and others in vitro on animal blood showed that nucleation in biological tissue is a random phenomenon, and high negative pressure are mandatory to initiate nucleation in vivo (< -12MPa)

Le carcinome hépatocellulaire est le principal cancer primaire du foie. Les procédures d’ablation thermique par voie interstitielle constituent un type de traitement curatif de ce cancer. Ces méthodes ne permettent pas toujours, de par leur nature physique (radio fréquence, micro-onde, laser, cryothérapie), de générer une ablation conformationnelle pour un volume tumoral donné. Dans certains cas, cela peut entraîner l’ablation d’un volume important de tissus non tumoraux. L'utilisation d'une sonde interstitielle ultrasonore disposant d’un transducteur avec de nombreux éléments indépendants, capable de générer des ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), permettrait théoriquement de lever cette limitation. D’autre part, le nombre élevé d’éléments permettrait également de disposer de capacités d’imagerie. Les travaux présentés dans cette thèse ont donc d’abord porté sur la conception du transducteur associé à ce type de sonde. Un design particulier a été proposé spécifiquement pour le traitement d’une tumeur de 4 cm de diamètre. S’est ensuite posé la question de la stratégie de planification du traitement à adopter pour obtenir une lésion la plus conformationnelle possible. Différentes stratégies ont été évaluées par simulations numériques. Toutes ont présentés des caractéristiques semblables tant en termes de conformation que de temps de traitement total. La focalisation ultrasonore s’est avérée en elle-même suffisante pour générer un traitement conformationnel. Finalement, une plateforme robotique a été développée pour le pilotage de prototypes de sondes ultrasonores interstitielles bimodales, aussi bien en mode imagerie qu’en mode thérapie. Cette plateforme a permis de réaliser in vitro, les planifications de traitement automatiques de plusieurs fantômes de tumeurs, en se basant sur la reconstruction ultrasonore 3D issue de l’imagerie échographique obtenue in situ par les sondes ultrasonores. En revanche, en mode thérapie les prototypes de sondes n’ont pas atteint leurs spécifications et n’ont pas réussi à générer des lésions thermiques dans des tissus hépatiques in vitro. La modularité de la plateforme robotique a rendu possible son utilisation avec un système de thérapie ultrasonore différent, à la fiabilité éprouvé. Avec ce système, la planification automatique du traitement, ainsi que l’exécution du traitement HIFU associé, ont pu être effectué in vitro avec succès par la plateforme
Hepatocellular carcinoma is the most common primary cancer of the liver. Interstitial thermal ablation procedures constitute a type of curative treatments for this cancer. Given the physical nature of the phenomenon used to modify temperature (radio frequency, micro wave, laser, cryotherapy), those methods may not be able to generate a conformal treatment for a given tumor shape. In some cases, this limitation may induce the thermal ablation of a large volume of non-tumor tissues. The use of an ultrasound interstitial probe mounted with a multi-element transducer capable of generating high intensity focused ultrasound (HIFU) may theoretically help to overcome this limitation. Also a transducer with an important number of elements may also provide in situ imaging. As a first step, the design of a transducer for interstitial ultrasound probe was studied. A specific configuration has been proposed for the treatment of tumors with a diameter of 4 cm. The question of the treatment planning method to adopt to reach an optimal conformal treatment has been then addressed by comparing numerical simulations of different strategies. All strategies were sufficiently conformal and none presented real assets compared to the others. Ultrasound focusing in itself provided the desired conformal thermal ablation. Finally, a robotic platform was developed for driving interstitial dual mode ultrasound probes, both in imaging and in therapy mode. This platform allowed the automatic treatment planning of in vitro tumor mimic phantoms, based on 3D ultrasound reconstruction from the B mode images obtained in situ by the interstitial probe. However, in therapy mode, the probes did not reach their specifications and did not manage to create thermal lesions in in vitro liver tissue sample. The modularity of the robotic platform allowed driving a different HIFU system, which was more robust. With this system, the platform managed to perform with success an automatic treatment planning and then the associated HIFU treatment in in vitro tissue sample

Le but de cette thèse était de développer un appareil de chirurgie ultrasonore extracorporel traitant par hyperthermie les tumeurs cancéreuses et en particulier celles du cerveau pour lesquelles la chirurgie classique est souvent délicate. Son fonctionnement repose sur l'utilisation d'une onde ultrasonore focalisée afin de créer au foyer acoustique une élévation de température suffisante pour détruire les cellules. Cette onde ultrasonore focalisée est engendrée par un réseau constitue d'un grand nombre de transducteurs piézo-électriques repartis sur une surface entourant la boite crânienne. Toutefois la réalisation d'un tel faisceau ultrasonore focalisé est rendue difficile par les hétérogénéités des tissus biologiques traversés. Dans cette application, les difficultés sont accentuées par la grande différence entre les vitesses ultrasonores de l'os et celles des tissus mous, mais aussi par la perte importante d'énergie lors de la traversée de l'os. Ceci entraîne une dégradation importante, voire une déviation du faisceau. Cette contrainte implique une focalisation qui s'adapte au milieu et requiert donc l'utilisation d'un réseau de transducteurs piézo-électriques fonctionnant à l'aide d'une focalisation électronique. La technique de focalisation envisagée est basée sur le principe du retournement temporel qui met à profit l'invariance par renversement du temps de l'équation d'onde en milieux non dissipatifs. Modifiée afin de prendre en compte les phénomènes d'absorption dans la paroi osseuse, cette technique permet d'atteindre à travers le crâne une résolution pratiquement équivalente à la résolution maximale obtenue en milieu homogène. Les signaux émis atteignant des amplitudes importantes, les non-linéarités mises en jeu lors de la propagation de l'onde ont de plus été étudiées. Les concepts de focalisation développées pour cette application thérapeutique pourraient dans un avenir proche être appliqués à l'imagerie temps réel du cerveau.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie photoacoustique en tant que modalité d'imagerie prometteuse pour la médecine. Il a consisté en l'expérimentation du guidage photoacoustique de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), et en l'étude de la génération par des agents de contraste spécifiques que sont les nanoparticules d'or. Dans un premier temps lors d'expériences \textit{in vitro}, une sonde conçue à la fois pour l'imagerie photoacoustique et la thérapie ultrasonore a été utilisée pour démontrer la faisabilité du guidage photoacoustique pour traiter par HIFU une zone tissulaire cible. L'usage de la photoacoustique pour le contrôle des HIFU révèle ainsi son caractère prometteur. Dans un second temps la modélisation physique de la génération photoacoustique par des nanoparticules d'or permet de quantifier les mécanismes non-linéaires thermoélastiques impactant le signal émis. Dans le cas d'une nanosphère d'or unique, nous décrivons en fonction des paramètres du problème l'importance de la contribution de ces phénomènes non-linéaires, qui sont causés par la dépendance en température de la dilatation thermique de l'eau. Nous en tirons un ensemble de prédictions quantitatives quant à l'influence et le poids de ces non-linéarités sur le signal photoacoustique. Puis nous généralisons ces résultats théoriques à une collection de nanosphères d'or, et les confrontons à nos résultats expérimentaux. Nous mettons ainsi en évidence une nouvelle forme prometteuse de contraste en imagerie photoacoustique: le contraste de non-linéarité thermoélastique.

Un système d'imagerie de la prostate par élastographie ultrasonore a été développé. Il utilise un ballon rempli d'un liquide de couplage ultrasonore pour comprimer la prostate. La faisabilité de visualiser l'anatomie prostatique ainsi que des tumeurs bénignes et malignes de la prostate in vitro est démontrée. L'importance de la rapidité de l'acquisition pour obtenir des images de qualité in vivo est ensuite mise en évidence. Il est alors montré que ce système permet de détecter le cancer et de visualiser les effets de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) in vivo. Enfin il est montré in vitro qu'il est possible de visualiser la formation d'une lésion HIFU élémentaire en utilisant seulement l'élévation de température pour former l'image
An ultrasonic imaging device for prostate elastography was developed. A balloon filled with a coupling liquid served as a compressor. In vitro, the system was capable of imaging the anatomy of the prostate as well as benign and malignant tumors. Then the major influence of the acquisition frame on the image quality in vivo was demonstrated. The system was shown to be able to detect prostate cancer and to visualize the effects of high intensity focused ultrasound (HIFU) therapy in vivo. It was finally shown in vitro that the formation of an elementary HIFU lesion could be observed by passive elastography, using only temperature elevation to create the elastogram

Les molécules perfluoroalkylées représentent une classe de composés aux propriétés uniques. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés au potentiel de ces molécules dans deux applications biomédicales majeures : la composition de surfactants pulmonaires exogènes destinés au traitement du syndrome de détresse respiratoire et la stabilisation de microbulles agents de diagnostic et de thérapie par ultrasons. Le surfactant pulmonaire est constitué d'un mélange complexe de lipides et de protéines qui forme une monocouche à l'interface alvéolaire et permet de réduire le travail nécessaire à la respiration. La dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) est reconnue comme étant le lipide responsable de cette diminution de tension superficielle mais elle n'est pas un bon surfactant pulmonaire lorsqu'elle est utilisée seule car elle est incapable de se ré-étaler durant l'inspiration. Nous avons montré que la présence de certains fluorocarbures gazeux était capable d'apporter un effet fluidifiant à la monocouche de DPPC. Les résultats obtenus lors de ces études nous laissent penser que certains fluorocarbures pourraient démontrer leur utilité dans la composition de surfactants pulmonaires synthétiques. Le potentiel des microbulles dans le diagnostic et la thérapie ultrasonore est croissant. Bien que ces agents de contraste soient déjà utilisés dans la pratique médicale, leur persistance intravasculaire reste faible. Afin d'améliorer leur persistance, nous avons élaboré de nouvelles microbulles aux parois renforcées par des amphiphiles fluorés et étudié leur temps de vie sous ultrasons. Nous avons montré que la présence de molécules perfluoroalkylées dans la paroi des microbulles permet de diminuer la vitesse de diffusion du gaz fluoré utilisé comme stabilisant osmotique. L'obtention de microbulles d'une très grande stabilité permet d'envisager l'extension de leur champ d'application dans les domaines du diagnostic et de la thérapie par ultrasons.

Les techniques de thérapie par ultrasons sont apparues très récemment avec la découverte des ultrasons de haute intensité focalisée. La thrombolyse ultrasonore extracorporelle en fait partie et se base sur la destruction mécanique du thrombus causée par la cavitation acoustique. Cependant, c'est un phénomène mal contrôlé. Ainsi, un meilleur contrôle de l'activité de cavitation et sa localisation pendant la thérapie est essentiel pour considérer le développement d'un dispositif thérapeutique. Un prototype a déjà été conçu et amélioré avec une boucle de rétroaction en temps réel afin de contrôler l'activité de puissance de cavitation. Cependant, pour surveiller le traitement en temps réel, un système d'imagerie ultrasonore doit être incorporé dans le dispositif thérapeutique. Il doit être capable de localiser le thrombus, de positionner la focale du transducteur thérapeutique, de contrôler la destruction complète du thrombus et d'évaluer en temps réel l'activité de cavitation. Le travail actuel se focalise principalement sur le développement de techniques d'imagerie ultrasonore passive utilisées pour reconstituer les cartographies d'activité de cavitation. Différents algorithmes de formation de voies ont été examinés et validés par des simulations de sources ponctuelles, des expériences in vitro sur fil et des expériences de cavitation dans une cuve d'eau. Il a été démontré que l'algorithme de formation de voie le plus précis pour la localisation du point focale de cavitation est la technique de cartographie passive acoustique pondérée avec le facteur de cohérence de phase (PAM-PCF). En outre, des tests in vivo sur un modèle animal d'ischémie des membres aigus ont été évalués. Enfin, certaines optimisations du système d'imagerie développé précédemment ont été réalisées comme l'imagerie 3D, l'implémentation en temps réel et l'imagerie hybride combinant l'imagerie active anatomique avec les cartographies de cavitation passive
Ultrasound therapy techniques emerged very recently with the discovery of high intensity focused ultrasound (HIFU) technology. Extracorporeal ultrasound thrombolysis is one of these promising innovative low-invasive treatment based on the mechanical destruction of thrombus caused by acoustic cavitation mechanisms. Yet, it is a poorly controlled phenomenon and therefore raises problems of reproducibility that could damage vessel walls. Thus, better control of cavitation activity during the ultrasonic treatment and especially its localization during the therapy is an essential approach to consider the development of a therapeutic device. A prototype has already been designed and improved with a real-time feedback loop in order to control the cavitation power activity. However, to monitor the treatment in real-time, an ultrasound imaging system needs to be incorporated into the therapeutic device. It should be able to first spot the blood clot, to position the focal point of the therapy transducer, control the proper destruction of the thrombus, and evaluate in real-time the cavitation activity. Present work focusses mainly on the development of passive ultrasound techniques used to reconstruct cavitation activity maps. Different beamforming algorithms were investigated and validated through point source simulations, in vitro experiments on a wire, and cavitation experiments in a water tank. It was demonstrated that an accurate beamforming algorithm for focal cavitation point localization is the passive acoustic mapping weighted with the phase coherence factor (PAM-PCF). Additionally, in vivo testing on an animal model of acute limb ischemia was assessed. Finally, some optimizations of the previous developed imaging system were carried out as 3D imaging, real-time implementation, and hybrid imaging combining active anatomical imaging with passive cavitation mapping

La thérapie photodynamique est une technique de traitement de certains cancers basée sur l'action de la lumière sur une substance sensibilisante qui, en présence d'oxygène, va induire une réaction photochimique détruisant la cellule cancéreuse dans laquelle elle s'est accumulée. La lumière pénétrant peu profondément dans les tissus, certains auteurs ont utilisé ces substances sensibisantes avec des ultrasons dont la pénétration peut atteindre plusieurs centimètres dans l'organisme : c'est la sonothérapie. Après une revue de la littérature rappelant les bases de la thérapie photodynamique et les travaux publiés en thérapie sonodynamique, notre première partie présente un rappel physique sur les ultrasons et leurs effets sur les tissus. Notre seconde partie aborde la conception de notre dispositif de traitement ultrasonore et les techniques de mesure d'intensité du faisceau ultrasonore : la méthode optique, mais aussi méthode calorimétrique et mesure par la technique de l'hydrophone, enfin l'intensité ultrasonore développée et un asservissement thermique rigoureux. Une simplification des manipulations a été étudiée afin de rendre notre dispositif plus convivial permettant l'emploi par un utilisateur non spécialiste. Notre troisième partie, rapporte l'ensemble des essais biologiques effectués à l'aide de notre dispositif ultrasonore : essais cellulaires avec cellules fixées en monocouche dans des boites de pétri ou en suspension dans le milieu de culture. La cytotoxicité des ultrasons couplés à une substance sensibilisante est aussi évaluée en association avec la thérapie photodynamique. Enfin, une étude des spectres de fluorescence des substances sensibilisantes après traitement par ultrasons a été étudiée. L’ensemble des résultats obtenus étant différents de ceux rapportés dans la littérature, notre quatrième partie discuté les différentes hypothèses pouvant expliquer une discordance de nos résultats.

La thérapie par ultrasons de pathologies cérébrales est très prometteuse, notamment pour son caractère non invasif lorsque la sonde ultrasonore reste externe au crâne. Cependant, la structure complexe de l'os du crâne atténue et perturbe fortement la propagation du faisceau ultrasonore, ce qui altère les dimensions, la position et l'intensité de la tâche focale. Or ces paramètres focaux doivent être parfaitement maitrisés pour assurer à la fois l'efficacité et la sureté du traitement. En raison de la grande variabilité inter et intra individus de la géométrie et des propriétés acoustiques du crâne, des simulations personnalisées sont nécessaires pour prédire les caractéristiques focales en fonction du patient et de la position de la sonde ultrasonore. La plupart des méthodes de simulations utilisées actuellement, telles que k-Wave, sont très gourmandes en temps de calcul et en espace mémoire, ce qui les limite à des outils de planning pré-intervention. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode semi-analytique rapide et réaliste de calcul de champ ultrasonore au travers du crâne. Dans un premier temps, un modèle lisse et homogène du crâne, réaliste et favorable aux algorithmes de calcul de champ rapides, a été développé. Pour cela, les surfaces internes et externes du crâne ont été modélisées en utilisant une méthode appelée « Multi-level Bspline Approximation », et une méthode d'homogénéisation des propriétés acoustiques du crâne a été développée et validée numériquement. Ce modèle de crâne lisse et homogène a ensuite été utilisé en entrée de l'algorithme de calcul de champ développé. Cet algorithme, nommé SplineBeam, est basé sur une méthode de calcul des trajets ultrasonores par minimisation de la fonction temps de vol, qui est rapide et précise, et qui, combinée à la méthode des pinceaux, permet un échantillonnage régulier de la sonde ultrasonore. SplineBeam a été validé numériquement, par comparaison avec le modèle pinceau, implémenté dans la plateforme de simulation CIVA HealthCare, développée au CEA, et avec d'autres solvers numériques (dont k-Wave) sur une série de configurations, et expérimentalement, par comparaisons avec des champs de pressions acquis par hydrophone au travers d'un échantillon de crâne ex vivo. Les champs simulés avec SplineBeam se sont avérés être plus proches des champs mesurés expérimentalement que les champs simulés avec k-Wave, ce qui valide à la fois le modèle du crâne et la méthode de calcul de champ. De plus, SplineBeam peut restreindre son calcul à la tâche focale, ce qui, pour une grande sonde, lui permet de réduire drastiquement le nombre de points de calcul et d'avoir des temps de calcul de deux ordres inférieurs à ceux de k-Wave
Ultrasound brain therapy is a promising method, as it is non-invasive when ultrasonic waves are sent through the skull. However, the skull bone complex structure strongly attenuates and aberrates the ultrasound beam, altering the dimensions, position and intensity of the focal spot. These focal parameters must be perfectly controlled to ensure both treatment efficacy and safety. Due to the high inter/intra-individual variability of skull geometry and acoustic properties, personalized simulations are required to predict focal characteristics depending on the patient skull and the ultrasonic probe position. Most simulation methods currently in use, such as k-Wave, are very time- and memory-intensive, limiting them to pre-intervention planning tools. The aim of this thesis was to develop a fast and realistic semi-analytical method for ultrasound field computation through the skull. As a first step, we developed a smooth and homogeneous model of the skull, realistic and suited to fast field computation algorithms. To this end, we modeled the skull inner and outer surfaces using a method called "Multi-level Bspline Approximation", and we developed a skull acoustic property homogenization method, which was numerically validated. This smooth and homogeneous skull model was then used as input to the field computation algorithm developed. This algorithm, named SplineBeam, is based on an ultrasonic path computation method that minimizes the time-of-flight function, which is fast and accurate, and which, combined with the pencil method, enables a regular sampling of the ultrasound probe. SplineBeam was validated numerically, by comparison with the pencil method, embedded in the CIVA HealthCare simulation platform, developed at the CEA, and with other numerical solvers (including k-Wave) on a series of configurations, and experimentally, by comparison with hydrophone measured pressure fields through an ex vivo skull sample. SplineBeam simulated fields were found to be closer to the experimentally measured ones than those simulated with k-Wave. This validates both the skull model and the field computation method. Furthermore, SplineBeam can restrict its computation to the focal spot, which allows it to drastically reduce the number of computation points, making it faster than k-Wave by two orders of magnitude, for a large probe

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est la principale interface d'échanges entre le sang et le tissu cérébral. Elle reste à ce jour un obstacle majeur pour la prise en charge thérapeutique des pathologies neurologiques ou cancéreuses du système nerveux central (SNC). En effet, plus de 95% des médicaments ne parviennent pas ou très peu dans les tissus cérébraux ciblés à cause de la BHE. Des approches permettant d'optimiser la délivrance cérébrale de principes actifs doivent être mises au point pour enrichir l'arsenal thérapeutique contre les pathologies du SNC. Depuis 2001, l'utilisation des ultrasons, combinée à l'injection de microbulles constitue une méthode non-invasive permettant l'ouverture transitoire, locale et répétée de la BHE sans dommage tissulaire. Cette technique requiert un contrôle rigoureux de la dosimétrie ultrasonore in situ : les microbulles doivent recevoir suffisamment d'intensité pour agir efficacement (cavitation stable) sans pour autant osciller trop fortement (cavitation inertielle) pour ne pas risquer d'imploser et engendrer localement des effets néfastes. Cette dosimétrie est rendue difficile par la présence de l'os crânien, très hétérogène et différent d'un individu à l'autre. Il a été montré qu'il était possible de mesurer l'état des oscillations des microbulles (cavitation) à partir des signaux ultrasonores diffusés par ces dernières. Ainsi, des bulles stables renvoient uniquement les harmoniques de la fréquence d'émission, tandis que des bulles en cours d'implosion renvoient un signal large bande caractérisé par une émission à toutes les fréquences. Des algorithmes ont donc été construits afin d'adapter la pression d'émission des ultrasons en temps réel selon les signaux rétro-diffusé par les microbulles. Le présent travail de thèse se focalise sur le contrôle de la cavitation au travers d'algorithmes utilisant différents indices, calculés à partir des spectres des signaux de cavitation. Ces travaux ont pu profiter d'électroniques ultra-rapides (Field Programmable Gate Array, FPGA) permettant d'accélérer drastiquement le contrôle mis en place. La rétroaction est alors capable d'agir sur l'amplitude des émissions à quelques kHz contre quelques Hz seulement précédemment. Dans un premier temps, un dispositif expérimental a été construit afin de placer un flux de microbulles à la focale d'un transducteur thérapeutique ultrasonore. Ce dispositif in vitro a permis d'enregistrer les signaux ultrasonores émis par les microbulles en oscillations sous différentes pressions acoustiques. L'ensemble des mesures a servis à optimiser le calcul des indices qui caractérisent les différents états de cavitation. Suite à ces mesures en cuve, des mesures de cavitation ont été réalisées lors d'expériences de perméabilisation de la BHE in vivo. Ces résultats ont été comparés aux résultats in vitro afin de faire correspondre les différents états de cavitation avec les observations biologiques : présence ou absence de la perméabilisation de la BHE ou de dommages vasculaires. À partir de ces résultats un algorithme de régulation de la cavitation exploitant la vitesse permise par les FPGA a été construit. Son fonctionnement repose sur une augmentation progressive de la pression acoustique lors de chaque tir ultrasonore avec un maintien de la pression juste en dessous du seuil d'apparition de la cavitation inertielle. Cet algorithme a pu être testé in vitro et in vivo. Enfin, dans une démarche translationnelle de mes travaux vers leur utilisation clinique, des mesures de cavitation ex vivo ont eu lieu au travers d'un demi-crâne humain. Ces mesures démontrent notre capacité à capter les indices nécessaires au bon fonctionnement des algorithmes de contrôle de la cavitation chez l'Homme dans des conditions où le signal est dégradé par l'épaisseur importante d'os à franchir
The blood-brain barrier (BBB) is the primary interface for exchanges between blood and brain tissue. It remains a major obstacle in the therapeutic management of neurological or cancerous pathologies of the central nervous system (CNS), as over 95% of drugs struggle to reach targeted brain tissues due to the BBB. Approaches optimizing the cerebral delivery of active compounds are crucial to enrich the therapeutic arsenal against CNS pathologies. Since 2001, the use of ultrasound, combined with microbubble injection, has provided a non-invasive method for transient, local, and repeated opening of the BBB without tissue damage. This technique requires rigorous control of in-situ ultrasonic dosimetry: microbubbles need sufficient intensity for effective action (stable cavitation) without oscillating too strongly (inertial cavitation) to avoid the risk of implosion and local adverse effects. Dosimetry is challenging due to the presence of the cranial bone, which is highly heterogeneous and varies among individuals. It has been demonstrated that measuring the oscillation state of microbubbles (cavitation) is possible with the ultrasonic signals backscattered by them. Thus, stable microbubbles reflect only harmonics of the emission frequency, while imploding microbubbles reflect a broaddeband signal characterized by emission at all frequencies. Algorithms have been developed to adjust the ultrasound emission pressure in real-time based on the signals backscattered by microbubbles. This thesis focuses on cavitation control through algorithms using different indices calculated from cavitation signal spectra. The work benefited from ultra-fast electronics, Field Programmable Gate Array, (FPGA) that drastically accelerated the implemented control. An experimental setup was initially constructed to place a stream of microbubbles at the focus of a therapeutic ultrasound transducer. This in vitro device recorded ultrasonic signals backscattered by oscillating microbubbles under various acoustic pressures. The measurements optimized the calculation of indices characterizing different cavitation states. Following these tank measurements, cavitation measurements were conducted during BBB permeabilization experiments in vivo. These results were compared to in vitro results to correlate different cavitation states with biological observations: presence or absence of BBB permeabilization or vascular damage. Based on these results, a cavitation regulation algorithm exploiting the speed provided by the FPGA was constructed. It operates by progressively increasing the acoustic pressure during each ultrasound pulse while maintaining the pressure just below the inertial cavitation threshold. This algorithm was tested in vitro and in vivo. Finally, in a translational approach towards clinical application, cavitation measurements were performed ex vivo using a human half-skull. These measurements demonstrate our ability to capture the necessary indices for the proper functioning of cavitation control algorithms in humans under conditions where the signal is degraded by the substantial thickness of bone to penetrate

Les modifications induites par les cellules tumorales sur leur environnement ont pour but de permettre leur développement en remodelant le tissu la soutenant et en créant un nouveau réseau vasculaire (angiogenèse). Plusieurs thérapies anti-angiogéniques inhibant le développement du réseau vasculaire tumoral ont obtenu l’autorisation de mise sur le marché et sont actuellement utilisées en clinique. Ces thérapies induisent de fortes modifications fonctionnelles au sein de la tumeur mais le simple suivi de l’évolution du volume tumoral n’est pas suffisant pour rendre compte de ces modifications. L’objectif principal de la thèse a consisté à utiliser différentes modalités d’imagerie ultrasonore afin d’évaluer leur sensibilité aux modifications générées dans des tumeurs murine (carcinome colorectal et pulmonaire) au cours de plusieurs types de thérapie (chimique : cytotoxique, anti-angiogénique / physique : plasma froid, sono-sensibilisation). Les modifications de la distribution spatiale des micro-vaisseaux et leur fonctionnalité ont été caractérisées à l’aide de l’imagerie de contraste ultrasonore (CEUS), l’altération de la microstructure de la tumeur a été évaluée grâce à l’analyse spectrale des signaux radiofréquences, connu comme « quantitative ultrasound » (QUS) et enfin les variations des propriétés mécaniques des tissus tumoraux ont été mesurées en élastographie à l’aide de la technique « Shear Wave Elastography » (SWE). Afin de comprendre l’origine des modifications observées in vivo, des paramètres standard comme les niveaux de fibrose ou de nécrose ont été caractérisés ex vivo dans le tissu tumoral, grâce à l’immunohistochimie, une technique de référence
Tumor development is complex process made possible thanks to the microenvironment surrounding tumor cell. Modifications induced by tumor cells on their environment enable their own development by remodeling tissues sustaining them and by creating a new vascular network (angiogenesis). The use of several antiangiogenic therapies, inhibiting the sprout of a new vascular network, has been authorized in clinic. These therapies induce strong modifications in tumors at the functional level and following tumor size changes are is not sufficient to fully characterize tumor modifications. The main goal of this thesis was to use different ultrasound-based imaging modalities in order to assess their sensitivity to modifications induced in murine tumor model (colorectal and lung carcinomas) during different type of therapy (chemical: cytotoxic, antiangiogenic / physical: cold plasma, sonosensitization). Modifications of the spatial distribution of microvessels and their functionality were characterized using contrast-enhanced ultrasound (CEUS), alteration of tumor microstructure was assessed using spectral analysis of radiofrequency signal, known as quantitative ultrasound (QUS) and finally variations of mechanical properties in tumor tissues were measured in shear wave elastography (SWE). In order to better understand the origin of the modifications observed in vivo, standard parameters such as level of fibrosis and necrosis were characterize ex vivo in tumor tissue using immunochemistry as gold standard

La thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) est une méthode non invasive et non ionisante pour l’ablation des tumeurs solides. Cependant, le mouvement des organes intra-abdominaux, dû principalement à la respiration, empêche les ultrasons de cibler correctement la tumeur. Dans ce contexte, un système HIFU robotisé tout-en-un qui compense le mouvement en temps réel pendant le traitement par HIFU a été développé. À cet effet, un système d’asservissement ultrasonore fonctionnant à une fréquence de 20 Hz, basé sur une méthode rapide de suivi du speckle ultrasonore pour l’estimation du mouvement, a été conçu. Il utilise une séquence d’alternance imagerie/exposition HIFU, dont le rapport cyclique est de 80 %, afin d’éviter les interférences d’ondes. Le système HIFU robotisé a été testé sur un fantôme imitant les tissus soumis à des mouvements sinusoïdaux 1D et 2D. Il en résulte une réduction de mouvement de plus de 80 % en 1D pour une fréquence de 0,25 Hz et de 90 % en 2D pour une fréquence de 0,1 Hz. Toutefois, il n' a pas pu être observé un effet significatif de la compensation du mouvement sur les lésions induites par HIFU
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) therapy is a non-invasive and non-ionizing method for ablation of solid tumors. However, intra-abdominal organ motion, mainly due to breathing, is a major hurdle for proper targeting of the tumor. In this context, an all-in-one HIFU robotized system with motion compensation in real-time during HIFU treatment was developed. To this aim, an ultrasound visual servoing working at a frequency of 20 Hz, relying on a fast ultrasonic speckle tracking method for motion estimation, was designed. It uses an interleaved imaging/HIFU sonication sequence, with duty cycle of 80 %, in order to avoid wave interferences. The robotized HIFU system was tested on a tissue mimicking phantom undergoing a 1D and a 2D sinusoidal motion. As a result, motion reduction of more than 80 % in 1D for a frequency of 0.25 Hz and more than 90 % in 2D for a frequency of 0.1 Hz was obtained. However, it couldn't be observed a significant effect of motion compensation on the lesions induced by HIFU

Après un état de l’art sur l’ablation des lésions osseuses, les expérimentations HIFU sur l’os présentées ont montré un échauffement périosté plus étendu avec un tir profond. Les tirs sur le ciment, dont le coefficient α a été mesuré, reproduisent les mêmes courbes thermiques. Une simulation a été réalisée avec 2 valeurs de α (4.7 et 9.9 dB/cm) : l’échauffement est moins important avec α=4.7. La simulation confirme certains résultats de la thermo-IRM : une élévation thermique maximale au niveau du périoste (zone focale) avec le tir superficiel, un échauffement latéral plus marqué avec le tir profond et une tendance à l’inertie thermique. A partir d’une analyse rétrospective des cas traités par imagerie mini-invasive, l’ablation HIFU semble possible pour 50% des ostéomes ostéoïdes et 35.7% des métastases. 35.9% de cas supplémentaires auraient pu être traités par HIFU si une protection des structures sensibles ou une consolidation étaient réalisées. A 1 MHz, l’interférence des aiguilles avec les US n’était visible qu’avec les aiguilles 13G. Si les aiguilles 18 à 22G interfèrent peu avec les US, un écran acoustique pourrait se former à la suite d’injection de liquide
After a “state of art” on bone lesions ablation techniques, bone experimentations presented showed that deep focalisation allows the best lateral periosteal heating. On cement, from which the coefficient α was measured, the same thermic curves were observed. A simulation was done with two values of α (4.7 et 9.9 dB/cm). A higher heating at the periosteal focal point with superficial focalisation and a higher periosteal lateral heating with deep focalisation with a thermic inertia, were confirmed with simulation. Heating was higher with the high α value. A retrospective analysis of the bone lesions treated with minimally invasive treatment showed that 50% of osteoid osteomas and 35.7% of metastases were classified as suitable with MRgHIFU alone. 35.9% additional cases may have been treated with dissection or consolidation. At 1 MHz, US distortion due to the presence of needles in the US cone was observed only with the 13-gauge needle. However, if 18 to 22G needles may induce few distortion, an acoustic barrier may appear if the liquid injected flows in front of the US

L’échographie dynamique de contraste (DCE-US) est actuellement proposée comme technique d’imagerie fonctionnelle permettant d’évaluer les nouvelles thérapies anti-angiogéniques. Dans ce contexte, L'UPRES EA 4040, Université Paris-Sud 11, et le service d'Echographie de l'Institut Gustave Roussy ont développé une méthodologie permettant de calculer automatiquement, à partir de la courbe de prise de contraste moyenne obtenue dans la tumeur après injection en bolus d’un agent de contraste, un ensemble de paramètres semi-quantitatifs. Actuellement, l’état hémodynamique du patient ou encore les conditions d’injection du produit de contraste ne sont pas pris en compte dans le calcul de ces paramètres à l’inverse d’autres modalités (imagerie par résonance magnétique dynamique de contraste ou scanner de perfusion). L’objectif de cette thèse était donc d’étendre la méthode de déconvolution utilisée en routine dans les autres modalités d’imagerie à l’échographie de contraste. Celle-ci permet de s’affranchir des conditions citées précédemment en déconvoluant la courbe de prise de contraste issue de la tumeur par la fonction d’entrée artérielle, donnant ainsi accès aux paramètres quantitatifs flux sanguin, volume sanguin et temps de transit moyen. Mon travail de recherche s’est alors articulé autour de trois axes. Le premier visait à développer la méthode de quantification par déconvolution dédiée à l’échographie de contraste, avec l’élaboration d’un outil méthodologique suivie de l’évaluation de son apport sur la variabilité des paramètres de la microvascularisation. Des évaluations comparatives de variabilité intra-opérateur ont alors mis en évidence une diminution drastique des coefficients de variation des paramètres de la microvascularisation de 30% à 13% avec la méthode de déconvolution. Le deuxième axe était centré sur l’étude des sources de variabilité influençant les paramètres de la microvascularisation portant à la fois sur les conditions expérimentales et sur les conditions physiologiques de la tumeur. Enfin, le dernier axe a reposé sur une étude rétrospective menée sur 12 patients pour lesquels nous avons évalué l’intérêt de la déconvolution en comparant l’évolution des paramètres quantitatifs et semi-quantitatifs de la microvascularisation en fonction des réponses des tumeurs obtenues par les critères RECIST à partir d’un scan effectué à 2 mois. Cette méthodologie est prometteuse et peut permettre à terme une évaluation plus robuste et précoce des thérapies anti-angiogéniques que les méthodologies actuellement utilisées en routine dans le cadre des examens DCE-US
Dynamic contrast-enhanced ultrasonography (DCE-US) is currently used as a functional imaging technique for evaluating anti-angiogenic therapies. A mathematical model has been developed by the UPRES EA 4040, Paris-Sud university and the Gustave Roussy Institute to evaluate semi-quantitative microvascularization parameters directly from time-intensity curves. But DCE-US evaluation of such parameters does not yet take into account physiological variations of the patient or even the way the contrast agent is injected as opposed to other functional modalities (dynamic magnetic resonance imaging or perfusion scintigraphy). The aim of my PhD was to develop a deconvolution process dedicated to the DCE-US imaging, which is currently used as a routine method in other imaging modalities. Such a process would allow access to quantitatively-defined microvascularization parameters since it would provide absolute evaluation of the tumor blood flow, the tumor blood volume and the mean transit time. This PhD has been led according to three main goals. First, we developed a deconvolution method involving the creation of a quantification tool and validation through studies of the microvascularization parameter variability. Evaluation and comparison of intra-operator variabilities demonstrated a decrease in the coefficients of variation from 30% to 13% when microvascularization parameters were extracted using the deconvolution process. Secondly, we evaluated sources of variation that influence microvascularization parameters concerning both the experimental conditions and the physiological conditions of the tumor. Finally, we performed a retrospective study involving 12 patients for whom we evaluated the benefit of the deconvolution process: we compared the evolution of the quantitative and semi-quantitative microvascularization parameters based on tumor responses evaluated by the RECIST criteria obtained through a scan performed after 2 months. Deconvolution is a promising process that may allow an earlier, more robust evaluation of anti-angiogenic treatments than the DCE-US method in current clinical use

La fibrillation atriale affecte 2-3% des européens et nord-américains, les tachycardies ventriculaires sont liées à un risque important de mort subite. Les approches minimalement invasives comme l’Ablation par Cathéter Radiofréquence (RFCA) ont révolutionné le traitement de ces maladies, mais le taux de réussite de la RFCA est limité par le manque de techniques d’imagerie pour contrôler cette ablation thermique.Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles approches ultrasonores pour des traitements cardiaques minimalement invasifs guidés par échographie.Pour cela nous avons d’abord validé la précision et la viabilité clinique de l’Élastographie par Ondes de Cisaillement (SWE) en tant que modalité d’imagerie quantitative et temps réel pour l’ablation thermique in vivo. Ensuite nous avons implémenté la SWE sur un transducteur intracardiaque et validé la faisabilité d’évaluer l’ablation thermique in vitro et in vivo sur cœur battant de gros animal. Puis nous avons développé un transducteur intracardiaque dual-mode pour effectuer l’ablation et l’imagerie ultrasonores avec les mêmes éléments, sur le même dispositif. Les lésions thermiques induites par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) et contrôlées par la SWE ont été réalisées avec succès in vivo dans les oreillettes et les ventricules chez le gros animal. Finalement la SWE a été implémentée sur un dispositif d’imagerie et thérapie ultrasonores transœsophagien et la faisabilité de cette approche a été démontrée in vitro et in vivo. Ces approches originales pourraient conduire à de nouveaux dispositifs cliniques pour des traitements plus sûrs et contrôlés d’un large éventail d’arythmies et maladies cardiaques
Atrial fibrillation (AF) affects 2-3% of the European and North-American population, whereas ventricular tachyarrhythmia (VT) is related to an important risk of sudden death. AF and VT originate from dysfunctional electrical activity in cardiac tissues. Minimally-invasive approaches such as Radio-Frequency Catheter Ablation (RFCA) have revolutionized the treatment of these diseases; however the success rate of RFCA is currently limited by the lack of monitoring techniques to precisely control the extent of thermally ablated tissue.The aim of this thesis is to propose novel ultrasound-based approaches for minimally invasive cardiac ablation under guidance of ultrasound imaging. For this, first, we validated the accuracy and clinical viability of Shear-Wave Elastography (SWE) as a real-time quantitative imaging modality for thermal ablation monitoring in vivo. Second we implemented SWE on an intracardiac transducer and validated the feasibility of evaluating thermal ablation in vitro and in vivo on beating hearts of a large animal model. Third, a dual-mode intracardiac transducer was developed to perform both ultrasound therapy and imaging with the same elements, on the same device. SWE-controlled High-Intensity-Focused-Ultrasound thermal lesions were successfully performed in vivo in the atria and the ventricles of a large animal model. At last, SWE was implemented on a transesophageal ultrasound imaging and therapy device and the feasibility of transesophageal approach was demonstrated in vitro and in vivo. These novel approaches may lead to new clinical devices for a safer and controlled treatment of a wide variety of cardiac arrhythmias and diseases