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Theses Year : 2022

Ultrasound brain therapy : from transcranial focusing optimization to the treatment of Essential Tremor with quantitative assessment

Thérapie du cerveau par ultrason : de l’optimisation de la focalisation transcrânienne au traitement du tremblement essentiel avec une évaluation quantitative

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Thomas Bancel
  • Function : Author
  • PersonId : 1215837
  • IdRef : 265881188

Abstract

MR-guided transcranial focused ultrasound is a novel modality to treat neurological diseases non-invasively. Aberration correction techniques are used to concentrate the acoustic energy inside the patient’s brain. They rely on CT based 3D simulation of the propagation of the wavefront through each patient’s skull. We demonstrate here on a clinical device (Exablate Neuro, Insightec) that two different simulation strategies (ray-tracing, and numerical scheme solving the wave equation inside the skull bone) lead to similar performances. The quantification of the impact of the increase of the incoming ultrasonic waves’ incident angles at the skull surface highlights the potential interest of taking into account elastic simulations.We additionally show that the computation time of full-wave simulation can be reduced by artificially decreasing the acoustic frequency, in order to increase the wavelength and consequently increase the spatial step of the simulation. We demonstrate that the computation time is divided by 10, while maintaining a similar performance in terms of restored pressure at target.We also present preliminary experiments on four human skulls using MR images instead of CT scans for the aberration correction simulation. Such an approach would prevent the patient from being exposed to ionizing radiations.Finally, we initiated a clinical trial conducted at the Hôpital de la Pitié Salpêtrière during which patients suffering from Essential Tremor were treated with MR-guided focused ultrasound for the first time in France. The Exablate Neuro device was used to perform a thermal lesion of the thalamic nucleus (VIM). During this study, we equipped the patients with accelerometers to quantitatively measure the tremor in real time during the treatment and throughout the postoperative observation period. We compared the accelerometry data to the clinical tremor rating scales used by neurologists. We showed that the accelerometric measurements correlated with the clinical scales, and that the data collected in real time during the treatment were (i) predictive of the long-term clinical outcome (ii) useful for the medical team in the adjustment of the treatment parameters per-operatively.Before irreversible ablation of the VIM, we also assessed the impact of reversible low-intensity transcranial ultrasound stimulation. On two patients, we report here that low-intensity ultrasound stimulation induced a 98% tremor reduction for more than 30 minutes.
Cette thèse porte sur l’utilisation des ultrasons focalisés transcrâniens dans le traitement non-invasif de maladies neurologiques.Nous nous sommes d’abord concentrés sur la méthode de correction d’aberrations permettant de concentrer l’énergie à l’intérieur du cerveau. Celle-ci repose sur une simulation de la propagation des ultrasons à travers le crâne de chaque patient, dont les propriétés acoustiques sont modélisées de manière tri-dimensionnelle au moyen de scanners X cérébraux. Nous avons montré que deux méthodes différentes de simulation (tracé de rayon et simulations aux différences finies) aboutissaient à des performances similaires, et mis en évidence que les performances de chacune des méthodes se dégradaient lorsque les angles d’incidence de l’onde ultrasonore à l’entrée du crâne augmentaient.Dans un second temps, nous avons cherché à augmenter la vitesse de calcul des simulations aux différences finies en diminuant de manière artificielle la fréquence acoustique, afin d’augmenter la longueur d’onde et donc la taille du pas de simulation. Nous avons démontré qu’une telle approche divisait le temps de calcul par 10 tout en conservant les performances.Nous présentons également des expériences préliminaires sur quatre crânes humains utilisant des images IRM au lieu de tomodensitométries pour la simulation de la correction des aberrations. Une telle approche permettrait d'éviter d'exposer les patients à des radiations ionisantes.Cette thèse s’est également inscrite dans le cadre d’un essai clinique mené à l’Hôpital de la Pitié Salpêtrière pour le traitement par ultrasons focalisés de patients atteints de tremblement essentiel, pour la première fois en France. L'Exablate Neuro a été utilisé pour réaliser une lésion thermique du noyau thalamique (VIM) sans craniotomie. Au cours de cette étude, nous avons équipé les patients d'accéléromètres pour mesurer quantitativement le tremblement en temps réel pendant le traitement et tout au long de la période d'observation postopératoire. Nous avons comparé les données de l'accélérométrie aux échelles d'évaluation clinique du tremblement utilisées par les neurologues. Nous avons montré que les mesures accélérométriques étaient corrélées aux échelles cliniques et que les données recueillies en temps réel pendant le traitement étaient (i) prédictives du résultat clinique à long terme (ii) utiles à l'équipe médicale pour l'ajustement per-opératoire des paramètres du traitement.Avant l'ablation irréversible du VIM, nous avons également testé l'impact d'une stimulation ultrasonore transcrânienne réversible de faible intensité. Sur deux patients, nous rapportons ici que la stimulation ultrasonore de faible intensité a induit une réduction des tremblements de 98% pendant plus de 30 minutes.
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Dates and versions

tel-03940612 , version 1 (16-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03940612 , version 1

Cite

Thomas Bancel. Ultrasound brain therapy : from transcranial focusing optimization to the treatment of Essential Tremor with quantitative assessment. Acoustics [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS002⟩. ⟨tel-03940612⟩
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