Deep focused ultrasound stimulation of the human brain

Les ultrasons focalisés offrent de nouvelles voies thérapeutiques grâce à leurs nombreux mécanismes d'action sur les tissus biologiques. Leurs effets réversibles sur l'activité neuronale sont particulièrement prometteurs pour le traitement de multiples pathologies du système nerveux central. Le crâne humain constitue cependant une barrière physique ne permettant pas une délivrance précise et contrôlée des ultrasons dans le cerveau. Des systèmes ultrasonores destinés à la chirurgie et guidés par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM) parviennent aujourd'hui à compenser les effets aberrateurs du crâne humain. Ces dispositifs sont néanmoins complexes à opérer et onéreux, les rendant inadaptés aux applications thérapeutiques des ultrasons de plus faible intensité comme la neurostimulation. L'objectif de mes travaux de thèse aura été la conception, la fabrication et la certification d'un dispositif de neurostimulation profonde du cerveau humain. Ce système intègre une méthode innovante de correction des aberrations transcrâniennes par une lentille acoustique personnalisée lui permettant de rester léger et peu coûteux, sans compromis sur la précision et la sécurité du traitement. Cette thèse a également permis de développer de nouvelles séquences IRM pour réaliser la planification du traitement et la correction des aberrations personnalisées à chaque patient. Simplifiant le parcours de soin du patient et évitant d'avoir recours à des méthodes d'imagerie ionisantes, ces séquences IRM devraient permettre d'accélérer le développement de la neurostimulation ultrasonore et son adoption clinique à plus grande échelle.Focused ultrasound offers new therapeutic opportunities thanks to its variety of mechanisms of action on biological tissues. Their reversible effects on neuronal activity are particularly promising for the treatment of multiple pathologies of the central nervous system. However, the human skull constitutes a physical barrier that does not allow precise and controlled delivery of ultrasound into the brain. Ultrasound devices designed for surgery and guided by Magnetic Resonance Imaging (MRI) are now able to compensate for the aberrations of the human skull. However, these devices are complex to operate and expensive, making them unsuitable for therapeutic applications with lower intensity ultrasound such as neurostimulation. The objective of my thesis work was the design and certification of an ultrasound neurostimulation device for the human brain. This system incorporates an innovative method of correcting transcranial aberrations with a customised acoustic lens allowing it to remain lightweight and inexpensive without any compromise on the treatment accuracy and safety. This thesis also introduces new MRI sequences to perform treatment planning and aberration correction tailored to each patient. By simplifying the treatment workflow and avoiding the need for ionising imaging methods, these MRI sequences are expected to accelerate the development of ultrasound neurostimulation and its wider use in clinics