Quantitative and functional ultrafast ultrasound imaging of the human brain

par Marion Imbault

Thèse de doctorat en Physique. Physique des Ondes-Acoustique médicale

Sous la direction de Mickael Tanter.

Soutenue le 03-05-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) et de Institut Langevin Ondes et images (Paris) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Imagerie quantitative et fonctionnelle du cerveau humain par ultrasons ultrarapides


  • Résumé

    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


  • Résumé

    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

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