Non-invasive treatment of cardiac arrhythmias by high-intensity focussed ultrasound guided by magnetic resonance imaging

par Pierre Bour

Thèse de doctorat en Bioimagerie

Sous la direction de Bruno Quesson.

Soutenue le 17-11-2017

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Centre de recherche cardio-thoracique de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Frank Kober.

Le jury était composé de Erik Dumont.

Les rapporteurs étaient Frank Kober, Jonathan Vappou.

  • Titre traduit

    Traitement non invasif des arythmies cardiaques par ultrasons focalisés de haute intensité guidés par imagerie de résonance magnétique


  • Résumé

    Les ultrasons focalisés de hautes intensités ont la capacité de déposer de l'énergie ultrasonore localement et de façon non invasive dans les tissus biologiques. Il est possible d'exploiter les effets mécaniques et/ou thermiques en fonction des paramètres ultrasonores utilisés. Guidée par un système d'Imagerie de Résonance Magnétique, cette technologie se voit dotée d'une modalité de planification et le suivi en temps réel de la procédure. Les applications actuelles des ultrasons focalisés guidés par IRM sont sur des organes fixes, notamment le cerveau et l'os ou le fibrome utérin. Dans le cas du cœur, d'une part la présence de mouvements cardiaques et respiratoires constitue une difficulté importante, tant pour le traitement ultrasonore (balistique) que pour l'IRM de température (artéfacts sur les images). D'autre part, la cage thoracique joue le rôle de barrière pour la propagation des ultrasons. Dans ce travail de thèse, un ensemble de techniques nouvelles pour l'ablation et la stimulation cardiaque non invasive par ultrasons focalisés guidés par IRM a été développé. Une première étude montre la faisabilité technique de contrôler le rythme cardiaque par des impulsions ultrasonores brèves dirigées vers le myocarde. L'influence des paramètres des impulsions a été étudiée quantitativement sur cœur isolé battant puis in vivo sur un modèle préclinique. Pour cela, un dispositif original a été développé. Une seconde étude présente de nouvelles méthodes rapides d'IRM permettant de cartographier simultanément la température et le déplacement local induit par les ultrasons focalisés. La méthode est validée sur le foie sur un modèle préclinique, et démontre qu'il est possible de corréler la dose thermique obtenue par thermométrie IRM à un changement des propriétés mécaniques des tissus traités mesurés simultanément. Une troisième étude a consisté à développer une technique de mesure de position de la cible en 3D temps réel par quelques éléments de l'émetteur ultrasonore opérant en réception. Cette mesure permet de corriger dynamiquement la position du foyer ultrasonore pour maximiser le dépôt d'énergie au point ciblé, le tout monitoré par thermométrie IRM temps réel à une cadence de 10 images par seconde. Là encore, une validation préclinique est présentée. Ce travail de thèse propose donc des avancées importantes pour lever les verrous actuels de la technologie permettant d'envisager des traitements non invasifs des pathologies cardiaques par voie non invasive, le tout guidé par IRM en temps réel.


  • Résumé

    High intensity focused ultrasound has the ability to deposit ultrasonic energy locally and non-invasively into biological tissues. It is possible to exploit the mechanical and/or thermal effects according to the ultrasonic parameters used. Guided by a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner, this technology is equipped with a planning modality and real-time monitoring of the procedure. As of now, applications of MRI-guided focused ultrasound are on fixed organs, including brain and bone or uterine fibroid. For the heart, the presence of cardiac and respiratory movements constitutes an important difficulty, both for the ultrasonic (ballistic) treatment and for the temperature monitoring under MRI (artefacts on images). In addition, the rib cage acts as a barrier for the propagation of ultrasounds. In this thesis work, a set of new technological development have been developed for ablation and non-invasive cardiac stimulation using focused MRI-guided ultrasound. A first study shows the technical feasibility of controlling heart rhythm by short ultrasound pulses targeted to the myocardium. The influence of the parameters of the pulses (duration, amplitude, emission time in the cardiac cycle) were studied quantitatively on isolated beating heart then in vivo on a preclinical model. For this, an original device was developed. A second study presents new rapid MRI methods for simultaneously mapping the temperature and local displacement induced by focused ultrasound. The method is validated on the liver on a preclinical model and demonstrates that it is possible to correlate the thermal dose obtained by MR-thermometry with a change in the mechanical properties of the treated tissues measured simultaneously. A third study consisted in developing a technique for measuring the position of the target in 3D real-time using some elements of the ultrasonic transmitter as receivers. This measure allows to dynamically correct the position of the ultrasonic focus to maximize energy deposition at the targeted point. In addition, we monitored in real-time the procedure using MR-thermometry at a rate of 10 images per second. Here again a preclinical validation is presented. This thesis work proposes important advances to remove the current locks of the technology allowing to envision noninvasive treatments of cardiac pathologies, all guided by MRI in real-time.


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