Développement de la microscopie de localisation ultrasonore (ULM) volumétrique et transcrânienne adaptée pour l'humain

Volumetric and transcranial ultrasound localization microscopy (ULM) adapted for humans

• Auteur / Autrice : Antoine Coudert
• Direction : Olivier Couture
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 04/04/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Marchand-Pauvert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anthony Novell, Gianmarco Pinton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbulles de contraste

Diagnostic

Maladies cérébrovasculaires

Imagerie ultrasonore

Mots clés libres

Microscopie ultrasonore

Super-resolution

Imagerie 3D

Imagerie Transcranienne

Angiographie

AVC

Ultrasound microscopy

Super resolution

3D imaging

Transcranial imaging

Angiography

Stroke

Résumé

L'accident vasculaire cérébrale (AVC) est une rupture de la circulation du sang dans le cerveau. Cette rupture peut avoir différentes origines possibles et une imagerie du cerveau est nécessaire pour pouvoir en déterminer la cause. Cette imagerie doit être rapide, facile d'accès et suffisamment précise pour permettre le diagnostic. L'échographie est pour l'instant déconseillée au diagnostic en raison de son incapacité à pouvoir imager avec suffisamment de résolution les vaisseaux sanguins du cerveau. Néanmoins de par son cout et sa portabilité, l'échographie reste un candidat idéal dans le diagnostic de l'AVC. La localisation microscopique ultrasonore (ULM) permet l'imagerie de la microcirculation des vaisseaux sanguins en dépassant la limite de diffraction. Cette méthode consiste en la localisation et le suivi de microbulles d'air injectées dans le sang. Une étude récente, utilisant une séquence réalisée avec une sonde matricielle multiplexée, a montré que l'ULM volumétrique permettait de différencier la cause de l'AVC chez le rat. Mais l'imagerie d'un cerveau humain est différente d'un cerveau de rat de par sa taille et l'épaisseur de crane qu'il le protège. L'objectif de cette thèse est d'adapter la séquence ULM volumétrique ayant été utilisée chez le rat pour imager le cerveau humain. Une première partie porte sur les modifications à apporter à la séquence pour pouvoir s'adapter à l'humain en conservant une cadence d'imagerie suffisante et un signal sur bruit suffisant pour les algorithmes de l'ULM. Une séquence a ainsi été proposée pour permettre une imagerie ULM volumétrique des vaisseaux sanguins de l'humain. Dans une seconde partie, cette séquence a ensuite été essayé dans un cadre préclinique sur le mouton. Ces expériences sur le mouton, encadré par un protocole éthique, ont consisté à imager à travers le crâne le cerveau par la séquence ULM et comparer les résultats avec une imagerie IRM. Le crane du mouton a de plus été étudié pour quantifier l'écart du modèle avec l'humain. Enfin dans une dernière partie, des corrections d'aberrations du crane ont été cherchées pour permettre une amélioration de l'ULM 3D transcrânien.

A stroke is a disruption of blood circulation in the brain. This rupture can have different origins, and brain imaging is necessary to determine the cause. This imaging must be fast, easy to access, and sufficiently precise to allow diagnosis. Ultrasound is currently not recommended for diagnosis because of its inability to image the brain's blood vessels with sufficient resolution. Nevertheless, ultrasound could be an ideal candidate for stroke diagnosis due to its cost and portability. Ultrasound localization microscopy (ULM) allows imaging of the microcirculation of blood vessels by transcending the diffraction limit. This method consists of localizing and tracking microbubbles injected into the blood. A recent study using a sequence carried out with a multiplexed matrix probe showed that volumetric ULM made it possible to differentiate the cause of stroke in rats. However, imaging the human brain differs from that of the rat brain because of its size and the thickness of the skull. The objective of this thesis is to adapt the volumetric ULM sequence that has been used in rats to image the human brain. The first part deals with the modifications of the sequence to image human brain vessels while maintaining a sufficient volume rate and signal-to-noise ratio for the ULM algorithms. A sequence has thus been proposed to allow this volumetric ULM imaging through the skull. Then, in a second part, this sequence was tested in a preclinical setting on sheep. These experiments on sheep, in agreement with an ethical protocol, consisted of imaging the brain through the skull using the ULM sequence and comparing the results with MRI imaging. In addition, the sheep's skull was also studied to quantify the difference between the model and the human. Finally, in the last part, corrections of the skull's aberrations were pursued to allow an improvement of the transcranial 3D ULM.