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Theses Year : 2019

3D Ultrasound Localization Microscopy

Microscopie par Localisation Ultrasonore en 3D

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Abstract

Ultrasound Localization Microscopy has demonstrated the ability to overcome the penetration/resolution conundrum in ultrasound imaging thanks to high frame rate imaging and contrast agents. However, this approach will fall short in its clinical translation if its main disadvantages aren’t addressed: 1- long time of acquisition 2- limited two dimensional field of view 3- motion artifacts 4-data overdose and 5- data processing times. Developing 3D ULM will allow to explore entire volumes within a few minutes of acquisition, giving access to all blood vessels down to micrometer size and imaging moving organs (i.e. a patient in a clinical setting).The objective of this thesis was to perform, for the first time, volumetric ultrasound localization microscopy and unveil its potential in-vitro and in-vivo. For this purpose, I first developed new post-processing techniques, reducing 2D data processing times by a factor of 300, allowing implementation of ULM on 3D data and increasing image quality. Then, I implemented new ultrasound sequences and demonstrated that sub-wavelength features could be resolved in a tailor made wall-less phantom. I then demonstrated that 3D imaging of the rat brain microvasculature with blood flow velocimetry was achievable with micrometric resolution, and implemented 3D motion correction and image registration to provide whole brain imaging.This new tool was used to investigate both the anatomy and the vascularization mechanisms in the brain. Making the transition from 2D ULM to 3D ULM paves the way towards better imaging of in vivo organs in the rat. Thanks to technological improvements 3D ULM will spread fast in research imaging and reach all the way to clinical care.
La microscopie par localization ultrasonore a montré qu’il était possible de s’affranchir du compromis entre la penetration et la resolution en échographie grâce aux ultrasons ultrarapides et à l’utilisation d’agents de contraste. Cependant, cette technique sera difficilement transposable dans un environment clinique car elle implique : 1. de longs temps d’acquisitions, 2. un champ de vue limité à un plan, 3. l’impossibilité de corriger les mouvements hors plan, 4. des quantités de données importantes et 5. des temps de calculs extrêmement longs. En développant cette technique en 3 dimensions, il sera possible d’explorer des volumes anatomiques entiers en quelques minutes d’acquisition afin de voir la microvasculature mais aussi d’imager des organes soumis au mouvement (comme cela est le cas pour l’imagerie d’un patient).L’objectif de cette thèse a été de démontrer qu’il était possible de faire de la microscopie par localization ultrasonore en 3D sur des larges volumes, et de montrer son potentiel in vitro et in vivo. Le point de depart a été de developer des nouvelles techniques de localisation de particules, ce qui a permis de diviser par 300 le temps de calcul en 2D et de fournir une imagerie de meilleure qualité. Grâce à leur implémentation en 3 dimensions, elles ont rendu possible la microscopie par localization ultrasonore en 3D dans des temps réduits. Ensuite, nous avons créé des sequences d’imagerie 4D spécifiques pour la microscopie en 3D et montré qu’il était possible d’imager avec une résolution sub longueur d’onde un fantôme de canaux microfluidiques 3D. Ce fantôme a été développé spécifiquement pour démontrer la faisabilité de la technique en 3D. Après avoir éprouvé notre technique in vitro, nous l’avons appliquée in vivo sur le cerveau de rat et démontré qu’il était possible d’avoir accès à la vasculature ainsi qu’aux flux sanguins à une échelle de quelques microns. Une étape supplémentaire a été ajoutée dans le framework de l’algorithme afin de corriger le mouvement en 3 dimensions et de recaler des volumes superrésolus entre eux afin de produire le premier volume d’un cerveau de rat entier (bulbe olfactif, cervelet et lobes principaux).Le développement de la microscopie par localisation ultrasonore en 3D ouvre la voie vers une imagerie préclinique in vivo de meilleure qualité et plus rapide. Grâce aux innovations technologiques actuelles, l’utilisation de cette technique en recherche se fera de plus en plus fréquente jusqu’à être adoptée en clinique.
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Dates and versions

tel-02953081 , version 1 (29-09-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02953081 , version 1

Cite

Baptiste Heiles. 3D Ultrasound Localization Microscopy. Human health and pathology. Université Paris sciences et lettres, 2019. English. ⟨NNT : 2019PSLET065⟩. ⟨tel-02953081⟩
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