Simulations acoustiques transcraniennes rapides pour la dosimétrie personnalisée en thérapie ultrasonore du cerveau

Fast transcranial acoustic simulations for personalized dosimetry in ultrasound brain therapy

• Auteur / Autrice : Célestine Angla
• Direction : Jean-Luc Gennisson, Sylvain Chatillon, Benoît Larrat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale multimodale Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2020-....) - Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Stefan Catheline
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gianmarco Pinton, Guillaume Haïat, Pierre Gélat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gianmarco Pinton, Guillaume Haïat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cerveau

Propriétés acoustiques

Modèles acoustiques

Simulation par ordinateur

Crâne

Simulation, Méthodes de

Ultrasonothérapie

Ultrasons en médecine

Mots clés libres

Thérapie ultrasonore

Simulation rapide

Modélisation du crâne

Simulations transcraniennes

Thérapie du cerveau

Correction d'aberrations

Ultrasound therapy

Fast simulation

Skull modeling

Transcranial simulations

Brain therapy

Aberration correction

Résumé

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.