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Méthode de suivi du champ de pression d’un transducteur ultrasonore focalisé à haute intensité pour l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique

Simon Blais

Masters thesis (2020)

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Cite this document: Blais, S. (2020). Méthode de suivi du champ de pression d’un transducteur ultrasonore focalisé à haute intensité pour l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/5585/
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Abstract

Avec le vieillissement de la population, la prévalence d’affections neurologiques au sein de la population est en pleine croissance. La grande majorité de ces affections touche principalement le système nerveux central et peut provoquer divers symptômes affectant grandement la qualité de vie des patients atteints de ces maladies. Bien que certaines maladies, telles que l’Alzheimer, le Parkinson et la maladie d’Huntingdon, pourraient bénéficier de traitements par voie médicamenteuse, il est très difficile de traiter ces maladies dues à la quasi-incapacité des molécules thérapeutiques à se rendre et à agir sur le cerveau. Cette difficulté provient principalement de la présence d’une barrière biologique, nommée la barrière hémato-encéphalique, qui empêche plus de 98% des molécules thérapeutiques actuellement disponibles de se rendre au parenchyme cérébral. Bien que plusieurs méthodes existent afin de contourner cette protection intrinsèque à notre cerveau, celles-ci sont non spécifiques et peuvent provoquer plusieurs effets non désirés tels que des infections ou des effets hors cible. Toutefois, il a récemment été démontré qu’il était possible d’ouvrir la barrière hémato-encéphalique de façon non-invasive, temporaire et localisée grâce à l’utilisation d’ultrasons focalisés conjointement à l’injection de microbulles dans la circulation sanguine. Ainsi, avec l’intérêt croissant envers les interventions cliniques minimalement invasives et de courtes durées, l’intérêt pour les interventions par ultrasons focalisés connaît un essor fulgurant. Bien que la faisabilité de l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique par ultrasons focalisés ait été démontrée en clinique, les techniques d’imagerie pour faire le suivit de ces traitements possèdent des lacunes majeures et n’assure pas le résultat, ce qui ralentit par le fait même le développement de ces traitements. Le caractère non destructif de cette méthode repose principalement sur les interactions entre la propagation du champ de pression des ultrasons focalisés et les microbulles, causant par le fait même l’oscillation (cavitation) volumétrique des microbulles. Les phénomènes mécaniques résultant de ces interactions permettent l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique lorsque des conditions bien spécifiques sont atteintes. Ces conditions peuvent être affectées par une multitude de facteurs tels que la présence d’aberrations, la concentration spatiale en microbulles, la fréquence du transducteur utilisé, la variation de la température locale, etc. Il est donc nécessaire d’avoir une modalité d’imagerie permettant de faire un suivi spatiotemporel du champ de pression nécessaire à l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Ce mémoire a pour objectif de faire la preuve de concept d’une nouvelle modalité d’imagerie ultrasonore pouvant répondre à ces différents besoins cliniques afin d’assurer un suivi du traitement de l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique par ultrasons focalisés. La modalité d’imagerie développée lors de cette maîtrise, nommée Equivalent Time Acoustic Cavitation Imaging (ETACI), permet ainsi de caractériser spatiotemporellement l’intensité de l’oscillation stable des microbulles causée par le champ de pression du transducteur focalisé simultanément à l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Comme cette cartographie reflète directement l’intensité du champ de pression du transducteur focalisé, nous sommes en mesure de réaliser indirectement des cartes du champ de pression. Les résultats obtenus in vitro sur différents types de fantômes et in vivo sur une souris lors d’un traitement d’ouverture de la barrière hémato-encéphalique sont convaincants et démontrent le potentiel de la méthode. De ces résultats, il semblerait que cette modalité d’imagerie pourrait non seulement servir à faire le suivi de chirurgies non invasives par ultrasons focalisés couplés aux microbulles mais également à caractériser le champ de pression de transducteurs ainsi qu’à augmenter le contraste d’imagerie ultrasonore.----------ABSTRACT Neurological disorders are on the rise due to an increase in older demographics worldwide. Acting mainly on the central nervous system, they can cause various symptoms that considerably decrease the quality of life of the affected individuals. For instance, some patients with Alzheimer's, Parkinson's and Huntington's disease, could benefit from drug treatment. However, many promising therapeutics cannot access the brain cells due to the presence of a biological protection called the blood-brain barrier. It will prevent over 98% of currently available therapeutic molecules from reaching the parenchyma. Although several solutions exist for bypassing the blood-brain barrier, they remain non-specific and can cause several side effects such as infections, epileptic seizures and off-target effects. Recently, the use of focused ultrasound combined with the injection of microbubbles into the blood stream has shown promise for opening the blood-brain barrier in a transient non-invasive manner. With growing interest in minimally invasive and short-term clinical interventions, focused ultrasound procedures are thriving. Although the feasibility of this technique has been proven, imaging modalities to monitor the treatments have major shortcomings, hence the difficulty with the development of these treatments. The non-destructive aspect of this method is mainly based on the interactions between the propagation of the pressure field of the focused ultrasound and the microbubbles. The resulting mechanical phenomenon leads to apparent, damage-free, reversible blood-brain barrier disruption when specific conditions are reached. The presence of aberrations, microbubble spatial concentration, transducer frequency and local temperature variations are amongst the many factors that can contribute to variations in the expected results. Herein, this thesis demonstrates the proof of concept of a new ultrasound imaging modality that fulfills the different clinical needs to provide monitoring for focused ultrasound induced blood-brain barrier opening treatment. The imaging modality developed during this study, called Equivalent Time Acoustic Cavitation Imaging (ETACI), makes it possible to spatiotemporally map the microbubble’s stable cavitation events. As this mapping is correlated to the focused transducer pressure field intensity, we can generate qualitative pressure maps of the sonicated medium. The results obtained during this study on different phantoms in vitro and on a mouse during focused ultrasound induced blood-brain barrier opening treatment are convincing to demonstrate the potential of this method. This imaging modality is also potentially useful for the characterization of transducer pressure fields and for increasing contrast in ultrasound imaging.

Open Access document in PolyPublie
Department: Institut de génie biomédical
Polytechnique Montréal > Centres de recherche > Institut de génie biomédical
Academic/Research Directors: Jean Provost and Abbas Sadikot
Date Deposited: 05 May 2021 11:57
Last Modified: 05 May 2021 11:57
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5585/

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