Localisation spatiotemporelle appliquée à la microscopie de localisation ultrasonore

L’âge est le facteur de risque principal des maladies cardiovasculaires. En effet, avec l’âge, les vaisseaux sanguins perdent de leur élasticité, ce qui entraîne une pulsatilité élevée en aval des artérioles et mène selon des études à la génération de microlésions dans les capillaires. Cependant, actuellement, aucune technique d’imagerie clinique n’est capable d’imager la microcirculation dans tout le cerveau. La microscopie de localisation ultrasonore (ULM) pourrait relever ce défi. En effet, cette technique repose classiquement sur la localisation puis le suivi de centaines de milliers de microbulles injectées dans le système vasculaire, grâce à des acquisitions ultrasonores de plusieurs minutes. L’intérêt de cette technique est qu’elle offre la possibilité de dépasser la limite de résolution spatiale due à la diffraction, en localisant des microbulles parcimonieuses. Cette technique permet ainsi d’imager les capillaires en profondeur. Notre équipe a introduit l’ULM Dynamique, se révélant être capable de mesurer la vitesse du sang au cours du rythme cardiaque et par conséquent la pulsatilité. Cependant, pour pouvoir être utilisé en clinique, les temps d’acquisitions doivent être réduits. L’augmentation de la concentration des microbulles est donc un levier identifié pour réduire ce temps. Toutefois, les algorithmes classiques peinent lorsqu’on augmente la concentration, ce qui introduit des erreurs dans les estimations de vitesses dérivées du suivi des microbulles. Ce mémoire introduit une nouvelle méthode qui renverse l’ordre des étapes conventionnelles en effectuant d’abord le suivi des microbulles puis dans un second temps la localisation. Ce renversement est motivé par l’hypothèse que considérer l’acquisition dans son entièreté apporte plus d’informations que la considérer image après image. Nous avons démontré que la méthode proposée fournissait de meilleurs résultats pour la reconstruction de l’anatomie vasculaire ou l’estimation des vitesses, que ce soit en simulation ou in vivo. La méthode que nous proposons ouvre la voie à de nouvelles techniques de localisation et de suivi des microbulles. Dans le but d’atteindre une meilleure compréhension des dérèglements des flux à l’intérieur des capillaires, qui touchent les personnes atteintes par des maladies cardiovasculaires, liées au vieillissement notamment.

Abstract

Cardiovascular diseases present a significant health concern, with age being the primary risk factor. When people get older, their blood vessels gradually lose elasticity, resulting in in-creased pulsatility downstream in the microvascular system. This phenomenon, as evidenced by research, leads to the formation of microlesions in the capillaries. Unfortunately, there is no current clinical imaging technique that can image the hemodynamic in the brain. The Ultrasound Localization Microscopy (ULM) presents the potential to address this chal-lenge. Indeed, ULM bypasses the limit of spatial resolution caused by diffraction via the localization and the tracking of sparse microbubbles populations across ultrasound images. Our research team has introduced Dynamic ULM, a novel approach capable of measuring the pulsatility. Nevertheless, to apply this technique in clinical, it is essential to reduce acquisition times. An identified strategy to achieve this is by increasing microbubble concentration. However, conventional algorithms break down with higher concentrations, leading to errors in the vascular maps and in the velocity estimations derived from microbubble tracking. To address this limitation, we propose a new paradigm that reverses the conventional steps, by doing tracking in the first place and then the localization. This method is based on the hypothesis that considering the acquisition as a whole yields richer information compared to frame-by-frame analysis. Our findings demonstrate that the proposed method obtains better results in reconstructing vascular anatomy and estimating velocities, both in simulation and in vivo. This advancement paves the way for improved microcirculation imaging and better understanding of hemodynamic in aging-related cardiovascular diseases.