Ultrasound localization microscopy for the diagnosis of strokes

L'accident vasculaire cérébral (AVC) est une perte subite de la vascularisation d'une partie du cerveau. Une prise en charge rapide réduit considérablement les pertes neuronales et séquelles à long terme. Les hémorragies cérébrales et infarctus cérébraux représentent les principaux types d'AVC avec des symptômes similaires mais des traitements très spécifiques. Le diagnostic précoce est primordial et nécessite une imagerie du cerveau en profondeur à travers le crâne.Le développement de la microscopie par localisation ultrasonore (ULM) a ouvert de nouvelles possibilités pour l’imagerie vasculaire en améliorant le contraste, la résolution et la profondeur de pénétration de l’échographie. Des microbulles sont injectées dans le sang et localisées pour reconstruire la microvascularisation en quelques minutes.L'objectif général de cette thèse est l'application de l’ULM 3D pour le diagnostic non invasif de l’AVC en phase précoce. Une première étude porte sur une comparaison quantitative des algorithmes de localisation ultrasonore pour l'imagerie 2D. Un ensemble de métriques normées et de jeux de données universels ont été établis pour évaluer les différents algorithmes avec des critères objectifs et reproductibles. Puis un système d’ULM 3D a été développé pour pallier à la projection en élévation de l’imagerie 2D et élargir le champ de vue. En utilisant une sonde multiplexée, une angiographie d’un cerveau de rat a été réalisée in vivo avec un système commercial. Une résolution de quelques dizaines de microns a été obtenue à travers le crâne, réduisant au minimum l’impact de l’imagerie sur la physiologie de l’animal en vue d’une étude pré-clinique. Enfin, ce système a été utilisé pour imager des AVC induits sur une cohorte de rats. Il a prouvé sa capacité à distinguer les effets d’une ischémie par rapport à une hémorragie sur la vascularisation du cerveau. Cette première étude montre la pertinence d’une telle imagerie pour le diagnostic en phase précoce de l’AVC chez l’humain par ULM volumétrique en s’affranchissant des contraintes et disponibilités de l’IRM et du scanner.A stroke is a sudden loss of vascularization of a part of the brain. Patients must receive medical care within the first hour to reduce neuronal loss and long-term sequelae.Most strokes are hemorrhagic or ischemic, with similar symptoms but specific treatments. Early-phase diagnosis becomes vital and requires deep brain imaging through the skull bone.The development of Ultrasound Localization Microscopy (ULM) has widened applications for microvascular imaging by improving contrast, resolution, and penetration depth. Microbubbles are injected into the blood flow and localized to reconstruct the microvessels within few minutes.The main objective of this thesis is the application of 3D ULM for non-invasive stroke diagnosis in the early phase.A first study focuses on a quantitative comparison of localization algorithms for 2D ultrasound imaging. A set of standardized metrics and unified datasets were established to evaluate various algorithms with objective and reproducible criteria. Then a volumetric ULM system was set up to overcome the elevation projection of 2D imaging and increase the field of view. We performed a 3D angiography of a rat brain in vivo with a commercial scanner and a multiplexed ultrasonic probe. A few tens of micrometers resolution was obtained through the skull bone. This method didn’t induce major modifications of the animal’s physiology and can be used for a pre-clinical study. Finally, this system was used to image induced strokes in a cohort of rats. It proved its ability to distinguish the effects of ischemia versus hemorrhage on brain vascularization. This first study shows the relevance of such imaging for the early diagnosis of stroke in humans by volumetric ULM, without the constraints and availability of MRI and CT