Traitement personnalisé du cerveau par lentille acoustique

Personalized brain treatment with an acoustic lens

• Auteur / Autrice : Maxime Daniel
• Direction : Jean-François Aubry
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique pour la médecine (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)

Mots clés

Mots clés libres

Ultrasons

Thérapie

Transcrânien

Neurostimulation

Ultrasound

Therapy

Transcranial

Neurostimulation

Résumé

La neuromodulation (modulation de l'activité nerveuse) est un outil majeur en physiologie et en médecine, pour l'étude des mécanismes cérébraux mais également le traitement de maladies neurologiques, comme la dépression résistante aux médicaments. Un certain nombre de techniques ont été introduites pour améliorer la précision (stimulation cérébrale profonde, optogénétique), ou pour offrir une approche non-invasive (stimulation électrique transcrânienne (TES), stimulation magnétique transcrânienne (TMS)). Les ultrasons focalisés transcrâniens ont le potentiel unique de pouvoir réaliser des neurostimulations non seulement corticales mais également profondes, avec une résolution millimétrique, et ce de manière non-invasive. Malheureusement, de tels systèmes utilisent jusqu'à présent des centaines de transducteurs ultrasonores pour corriger l'effet défocalisant de l'os du crâne, et sont donc extrêmement coûteux (10 fois plus cher que les systèmes de TMS ou TES). Dans cette thèse, nous proposons de développer un appareil à ultrasons focalisés transcrâniens non invasif et à faible coût, reposant sur une technologie unique brevetée récemment par notre laboratoire : une lentille acoustique fabriquée par impression 3D et placée en face avant d'un mono-élément ultrasonore, afin de corriger les aberrations. Les lentilles acoustiques seront fabriquées à partir d'images IRM UTE, séquence permettant d'imager le crâne. Le système sera guidé par un neuronavigateur optique. Le concept de focalisation par lentille acoustique sera étendu à l'obtention de cartes de pressions plus complexes. En particulier, on cherchera à obtenir des volumes contourant des structures cérébrales d'intérêt. On testera tout d'abord une approche de retournement temporel sur des cibles individuelles distantes au minimum de la distance de Rayleigh, puis une approche par filtrage inverse spatio-temporel. Cette approche sera tout d'abord testée sur un banc de test au laboratoire, dans l'eau, puis en présence d'aberrateurs. De plus, le doctorant investiguera la possibilité de coupler la focalisation par lentille acoustique avec les techniques d'imagerie fonctionnelle du cerveau par ultrasons actuellement développées au laboratoire.

Neuromodulation (modulation of nerve activity) is a major tool in physiology and medicine, for the study of brain mechanisms but also for the treatment of neurological diseases, such as drug-resistant depression. A number of techniques have been introduced to improve accuracy (deep brain stimulation, optogenetics), or to offer a non-invasive approach (transcranial electrical stimulation (TES), transcranial magnetic stimulation (TMS)). Transcranial focused ultrasound has the unique potential to perform not only cortical but also deep neurostimulation with millimetre resolution in a non-invasive manner. Unfortunately, such systems so far use hundreds of ultrasound transducers to correct the defocusing effect of the skull bone, and are therefore extremely expensive (10 times more expensive than TMS or TES systems). In this thesis, we propose to develop a low-cost, non-invasive transcranial focused ultrasound device based on a unique technology recently patented by our laboratory: a 3D-printed acoustic lens placed in front of a single ultrasound element to correct aberrations. The acoustic lenses will be designed from UTE MRI images, a sequence that allows imaging of the skull. The system will be guided by an optical neuronavigator. The concept of focusing by acoustic lens will be extended to obtain more complex pressure maps. In particular, volumes surrounding brain structures of interest will be targeted. First, a time-reversal approach will be tested on individual targets at least the Rayleigh distance apart, followed by a space-time inverse filtering approach. This approach will first be tested on a test bench in the laboratory, in water, and then in the presence of aberrators. In addition, the PhD student will investigate the possibility of coupling acoustic lens focusing with the functional ultrasound brain imaging techniques currently developed in the laboratory.