3D ultrasound localization microscopy using a large element matrix array with a multi-lens diffracting layer : transcranial imaging application
Matrice de transducteurs multi-lentilles pour la microscopie de localisation ultrasonore 3D à large champ : application à l'imagerie transcrânienne
Résumé
The human vascular network is a complex multi-scale system, ranging from several millimeters for the largest arteries to a few micrometers for the smallest vessels. This network provides nutrients and oxygen to the organs. It is therefore strongly linked to the functions of the organs and their health condition. In the case of the brain, neurovascular pathologies are usually diagnosed at later stages after the onset of acute symptoms. These clinical limitations are mainly attributed to the imaging systems of the cerebral vasculature, mostly performed by CT and MRI. These imaging techniques are poorly accessible (because of their high cost and heavy infrastructure), limited to a millimeter resolution and poorly sensitive to hemodynamics.To be able to propose a new screening and diagnostic for early stages, the ability to image in 3D over large fields of view, the morphology and dynamics of the vascular network at a spatial resolution of approximately 100μm is essential. Ultrasound imaging could address an important clinical need for imaging the cerebral vascular network. Its accessibility and ability to image blood flow (thanks to its very good temporal resolution) make it an excellent candidate. However, to date, no ultrasound imaging system allows transcranial imaging of the entire brain. Several technological barriers remain, including the sensitivity of ultrasound transducers, the ability to image sufficiently large volumes and the complexity of 3D ultrafast imaging systems.The objective of this thesis is to design a new concept of high sensitivity ultrasound probe for 3D super-resolved wide field of view imaging. This thesis is based on the use of ultrasound localization microscopy (ULM) techniques and the injection of microbubbles into the vascular network to reconstruct super-resolved images. We proposed a new concept of multi-lenses probe with large elements. The large elements allow the increase of the sensitivity thanks to the large active surfaces of the individual elements. The use of divergent multi-lenses allows to decrease the strong directivity of the large elements to maintain a good focusing ability, necessary for image reconstruction. Besides, the use of large multi-lenses elements allows to benefit from a large probe area (10x10cm2) with a reduced number of elements (256), capable of imaging large 3D volumes (10x10x10cm3).The different parameters of a large element multi-lens probe were studied and determined. A simulation framework was introduced to simulate a dynamic phantom for 3D ULM imaging. We have demonstrated by simulation the capabilities and performances of our large elements multi-lenses probe for 3D ULM imaging in a highly attenuating environment. A prototype probe was made and tested to validate the simulation results. In vitro and ex vivo experiments were carried out. A sub-wavelength tube was successfully imaged through a human skull.The results of this thesis showed the strong potential of the large element multi-lens probe concept to map the whole organ microcirculation, such as the brain, at micrometer scale. This new approach is non-ionizing, relatively cheap, and able to image large field of view at excellent spatial resolutions. Therefore, this new concept of probes could open new clinical perspectives for early detection, diagnosis, and for monitoring vascular pathologies.
Le réseau vasculaire humain est un système complexe multi-échelles, allant de plusieurs millimètres pour les plus grosses artères à quelques micromètres pour les plus petits vaisseaux. Ce réseau fournit les nutriments et le dioxygène aux organes. Il est donc fortement lié aux fonctions des organes et à leur état de santé. Dans le cas du cerveau, les pathologies neuro-vasculaires sont généralement diagnostiquées à des stades ultérieurs à des évènements cérébraux et à l'apparition de symptômes aigus. Ces limitations cliniques sont principalement imputées aux systèmes d’imagerie de la vascularisation cérébrale, majoritairement réalisée par tomodensitométrie et par imagerie par résonance magnétique. Ces techniques d'imagerie sont difficiles d’accès à cause de leurs coûts importants et elles sont limitées à une résolution millimétrique qui ne permet pas d’accéder à la microcirculation.Pour permettre un diagnostic précoce, la capacité à imager en 3D sur de larges champs de vue, la morphologie et la dynamique du réseau vasculaire à une résolution spatiale micrométrique est essentielle. L’imagerie par ultrason permettrait de répondre à un besoin clinique important pour l’imagerie du réseau vasculaire cérébrale. Son accessibilité et sa capacité à imager le flux sanguin (grâce à sa très bonne résolution temporelle) en font un excellent candidat. Néanmoins, à ce jour, aucun système d’imagerie ultrasonore ne permet de faire une imagerie transcrânienne de l’ensemble du cerveau. Plusieurs barrières technologiques restent à lever dont la sensibilité des transducteurs ultrasonores, la capacité à imager des volumes suffisamment larges et la complexité des systèmes d’imagerie ultrarapide 3D.L’objectif de cette thèse est de concevoir un nouveau concept de sonde échographique de haute sensibilité pour l’imagerie super-résolue transcrânienne 3D à large champ de vue. Cette thèse s’appuie sur l’utilisation des techniques de microscopie par localisation ultrasonore (ULM) basée sur l’injection de microbulles dans le réseau vasculaire pour reconstruire des images super-résolues. Nous avons proposé un nouveau concept de sonde multi-lentilles à larges éléments. L’utilisation de larges éléments multi-lentilles nous permet de bénéficier d’une large surface de sonde (10x10cm2) à nombre réduit d’éléments (256), et de pouvoir imager de larges volumes 3D (10x10x10cm3). Les larges éléments permettent également l’augmentation de la sensibilité grâce aux larges surfaces actives des éléments individuels. L’utilisation de multi-lentilles divergentes permet de diminuer la forte directivité des larges éléments pour maintenir une bonne capacité de focalisation, nécessaire à la reconstruction d’image.Par simulation, nous avons étudié et déterminé les différents paramètres d’une sonde multi-lentilles à larges éléments pilotée à basse fréquence (1MHz). Un cadre de simulation a été proposé pour simuler un fantôme dynamique pour l’imagerie ULM 3D. Nous avons démontré les capacités et les performances d’imagerie ULM 3D de notre nouveau concept de sonde dans un milieu fortement atténuant. Un prototype de sonde multi-lentilles à larges éléments a été construit et tester pour valider les résultats de simulation. Des expériences in vitro et ex vivo ont été entreprises. Un tube sub-longueur d’onde a été imagé à travers d’un crâne humain avec succès.Les résultats de cette thèse ont montré le fort potentiel du concept de sonde multi-lentilles à larges éléments pour cartographier la microcirculation d’organe entier tel que le cerveau, à des résolutions micrométriques. Cette nouvelle approche pourrait ouvrir de nouvelles perspectives cliniques pour le dépistage et le diagnostic précoces, ou pour le suivi des pathologies vasculaires grâce à son cout réduit et son caractère non-ionisant, à son large champ de vue et à sa bonne résolution spatiale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)