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Les ultrasons pour soigner les maladies mentales ?

Thomas Deffieux, INSERMU979, Physique des Ondes Pour la Médecine

Direction Mickael Tanter

[email protected]

INTERDISCIPLINARITÉ

Physique des Ondes Pour la MédecineINSERM U979, environ 40 personnesDirection Mickael Tanter

Équipe de physiciens !

Application des ultrasons :- à l’imagerie

- à la thérapie

Disclaimer

I. Imagerie fonctionnelle ultrasonore

II. Thérapies par ultrasons focalisés

La seule onde de la nature qui peut interagir sur quelques millimètres seulement à l’intérieur du corps humain

ULTRASONS FOCALISÉS

1980 1990 20111995

IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE

7

Σ

1/ Emission d’ultrason focalisé en un point


8

Σ

Conventional ultrasound imaging

2/ Réception des échos de la zone


9

Σ

3/ Reconstruction d’une ligne de l’image


10

Σ

4/ A refaire pour chaque ligne de l’image


11

Σ

Environ 50 images par seconde

> 5000 images / seconde

50 images /second




1980 1990 20111995

ECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE : TECHNOLOGIE EXPONENTIELLE

1996 2003

2007

2009

20 minutes60 minutes

6 secondes

0,2 seconde

Machines.png

Machines.png

Machines.png

Machines.png

Machines.png

Machines.png

Σ

1/ Emission d’une onde plane ultrasonore

ECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE

2/ Réception de tous les échos de l’image


Σ

3/ Reconstruction complète de l’image


Σ

Plus de 5000 images par seconde !


5000 images /second

> 5000

images / seconde


IMAGERIE ULTRARAPIDE: VOIR L’INVISIBLE

1000 à 20 000 IMAGES PAR SECONDE

ECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE, NOUVEAUX CONCEPTS

DOPPLER ULTRASENSIBLE :Mesurer le flux sanguin très finement

21


DOPPLER

22


1

-1

15 points / pixel

200 ms

DOPPLER

23


1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points / pixel

DOPPLER

24

dttsI D )(2Power Doppler

-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points / pixel

DOPPLER

25



-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points / pixel

DOPPLER

26



-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points/ pixel

DOPPLER

27


-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points/ pixel

DOPPLER

28



-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points/ pixel

DOPPLER

29


-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points/ pixel

DOPPLER

30



-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points/ pixel

DOPPLER

31



-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

signal Doppler0.1

-0.1

Filtrage sang

15 points/ pixel

DOPPLER

32

DOPPLER ULTRASENSIBLE

33

1

-1200 ms

200 points/ pixel


34

1

-1200 ms

200 ms

Doppler signal0.1

-0.1

Filtrage sang

200 points/ pixel


35


-30

-20

-10

0

dB

1

-1200 ms

200 ms

Doppler signal0.1

-0.1

Filtrage Sang

200 points/ pixel

Boost de sensibilité x100


36

Ultrafast Doppler

-30

-20

-10

0

dB

Conventional Doppler

-30

-20

-10

0

dB

Boost de sensibilité x100


Voir l’activité du cerveauIMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE

Couplage neurovasculaireentre sang et activité cérébrale

Voir l’activité du cerveauIMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE

Resting quietly

Room clock strikes 12 noon and bells of church are heard

« What is 8 x 12 ? »

Response

A

C

A

C

A

CAngelo Mosso

1846-1910First evidence in 1879

39

Conventional ultrasound imagingImagerie

IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE

E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. TanterFunctional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011

40

Stimulus pattern ON(16 s)

OFF(44 s)



41

Stimulus pattern ON(16 s)

OFF(44 s)



42



IMAGERIE FONCTIONNELLE DES ODEURS

B. Osmanski, H. Gurden, G.Montaldo, F. Pain, M. Fink, M. Tanter

EEG

Injection

2 hours

fUS

CRISE ÉPILEPTIFORME


-25

0

25

50

CBV changes

(%)

E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter, Nature Methods, July 2011

CRISE ÉPILEPTIFORME

E. Macé , G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink and M. Tanter. Nature Methods, 8, 662-664 (2011)

Cortical “wave” speed3.2 +- 0.3 mm/min

EEG

CB

V c

han

ges

(%)

Pro

pag

atio

n t

ime

(s)

Propagation time

Time (s)

CB

V c

han

ges

(%)

Co

rrel

atio

n

fun

ctio

nCRISE ÉPILEPTIFORME

CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE PAR ULTRASONS

M1+S1HL

51B. Osmanski, S. Pezet, A. Ricobaraza, Z. Lenkei, M. Tanter, Nature Comm, Oct. 2014

0 100 200 300 400 500 60010

0

10

Temps(s)

%PD

CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE PAR ULTRASONS

•Alzheimer's disease: decreased connectivity[1]

•Autism: altered connectivity[2]

•Depression: abnormal connectivity[3][4][5]

•Schizophrenia: disrupted networks[6]

•Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD): Altered "small networks" and Thalamus changes[7]

•Aging brain: disruption of brain systems and motor network[1]

•Epilepsy: disruption and decrease/increase in connectivity[8]

•Parkinson's disease: altered connectivity[9]

•Obsessive Compulsive Disorder:increase/decrease in connectivity[10]

•Pain Disorder: altered connectivity[11][12]

1. Li, R & al. (2012). Alterations of Directional Connectivity among Resting-State Networks in Alzheimer Disease. AJNR Am J Neuroradiol.

2. Müller, R-A & al(2011). Underconnected but how? A survey of functional connectivity MRI studies in autism spectrum disorders. Cerebral Cortex, 21(10), 2233–2243.

3. Anand A, Li Y & al. Activity and connectivity of mood regulating circuit in depression: a functional magnetic resonance study. Biological Psychiatry. 2005;15(10):1079-88.

4. Greicius MD, & al. Resting-State Functional Connectivity in Major Depression: Abnormally Increased Contributions from Subgenual Cingulate Cortex and Thalamus. Biological

Psychiatry. 2007;62(5):429-37.

5. Anand A, & al Resting state corticolimbic connectivity abnormalities in unmedicated bipolar disorder and unipolar depression. Psychiatry Research-Neuroimaging. 2009;171(3):189-98.

6. Venkataraman, A & al Whole brain resting state functional connectivity abnormalities in schizophrenia. Schizophrenia Research, 139(1-3), 7-12.

7. Uddin, L. Q & al. (2008). Network homogeneity reveals decreased integrity of default-mode network in ADHD. Journal of Neuroscience Methods, 169(1), 249-254.

8. Wurina, Zang, & al (2012). Resting-state fMRI studies in epilepsy. Neuroscience Bulletin, 28(4), 449-455.

9. Tessitore, A & al. (2012). Resting-state brain connectivity in patients with Parkinson's disease and freezing of gait. Parkinsonism & Related Disorders, 18(6), 781-787.

10. Li, P., & al. (2012). Altered resting state functional connectivity patterns of the anterior prefrontal cortex in obsessive-compulsive disorder. Neuroreport, 23(11), 681-686.

11. Otti A, & al. Frequency shifts in the anterior default mode network and the salience network in chronic pain disorder. BMC Psychiatry. 2013;13:84.

12. Otti A & al. Functional network connectivity of pain-related resting state networks in somatoform pain disorder: an exploratory fMRI study. J Psychiatry Neurosci. 2013 Jan;38(1):57-65.

CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE

ET MALADIES MENTALES

http://en.wikipedia.org/wiki/Alzheimer's_disease

http://en.wikipedia.org/wiki/Resting_state_fMRI#cite_note-Li-37

http://en.wikipedia.org/wiki/Autism

http://en.wikipedia.org/wiki/Resting_state_fMRI#cite_note-38

http://en.wikipedia.org/wiki/Major_depressive_disorder




http://en.wikipedia.org/wiki/Schizophrenia


http://en.wikipedia.org/wiki/Attention_deficit_hyperactivity_disorder


http://en.wikipedia.org/wiki/Aging_brain

http://en.wikipedia.org/wiki/Resting_state_fMRI#cite_note-Li-37

http://en.wikipedia.org/wiki/Epilepsy


http://en.wikipedia.org/wiki/Parkinson's_disease


http://en.wikipedia.org/wiki/Obsessive_Compulsive_Disorder


http://en.wikipedia.org/wiki/Pain_Disorder



fMRI

MODELES ANIMAUX ?

fMRI fUltrasound

Coll. Dr. Ivan Cohen Team, Inserm, Pitié Salpêtrière, Paris

L’imagerie fonctionnelle ultrasonore permettra de comprendre les relations entre structures du cerveau sans anesthésie

MODELES ANIMAUX NON ANESTHÉSIÉS

fUltrasound en clinique ?

Le fUltrasound bientôt complémentaire de l’IRM fonctionnel

Portabilitité de l’IRM … « Pas de crâne, Pas de problème …»

NeuroImagerie des nouveaux nés

NeuroImagerie peropératoire

Vers l’imagerie fonctionnelle des nouveaux nés

Collaboration Institut Langevin & Hopital Robert Debré, Paris

C. Demené, M. Pernot, V. Biran, M. Alison, M. Fink, O. Baud, M. Tanter. Ultrafast Doppler reveals the mapping of cerebral vascular resistivity in neonates. J Cereb Blood Flow Metab., 2014 Mar 26.

Imagerie transfontanellaire

Corpus callosum

Thalamus

Cortex

Cerebellum

Medulla

Collaboration Institut Langevin & Hopital Robert Debré, Paris

C. Demené,V. Biran, M. Fink, M. AlisonM. Pernot, O. Baud and M. Tanter

mm

mm

Ultrafast Doppler Image

0 5 10 15 20 25 30 35

5

10

15

20

25

30

35

J. Provost, C. Papadacci, J-E Arango Ossa, M. Imbault, M. Fink, J-L Gennisson, M. Tanter*, M. Pernot* 3-D Ultrafast Ultrasound Imaging In Vivo, Physics in Medicine and Biology, Sept. 2014.

32x32 elements

Premier échographe ultrarapide 4D, plus de 1000 volumes par seconde !

1024 fully programmable Channels

1000 Volumes/s

Collaboration Ivan Cohen, Lim-Anna Sieu, Inserm, Pitié Salpêtrière, Paris

Angiographie ultrasonore par Doppler ultrasensible

C. Demené, PhD Thesis

Thérapies ultrasonores

La seule onde de la nature qui peut interagir sur quelques millimètres seulement à l’intérieur du corps humain

NECROSE THERMIQUE ULTRASONORE

foie1mm

THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU

Haute fréquence (1MHz)

Réseau d’emetteurs

-512 elements, 1 MHz, ø 6mm, 20 W/cm2

Electronics

-512 channels, 10 W/channel


Planning Software


MR temperature imaging

11°C

0°C

D. Chauvet, L. Marsac, M. Pernot, A.-L. Boch, R. Guillevin, N. Salameh, L. Souris, L. Darrasse, M. Fink, M. Tanter and J.-F. Aubry, “Targeting accuracy of transcranial MR-guided High-Intensity Focused Ultrasound brain therapy: a fresh cadaver model”, Journal of Neurosurgery (2013): 1-7.

Thermal effect


Exablate 4000

GE- InSightec


Pre-treatment

Clinical Trial with, UVA Neurosurgery

Targeting

Alias et al, NEJM, 2013

Essential Tremor Treatment

Awake, no anesthesia

No incisions

No burr holes

No electrodes

No infection

No blood clots

No brain damage

Courtesy of Uva

Courtesy of InSightec

DOULEURS NEUROPATHIQUES

Results : The results showed gradual improvements in Y-BOCS scores (a mean improvement of33%) over the 6-month follow-up period, and all patients showed almost immediate andsustained improvements in depression (a mean reduction of 61.1%) and anxiety (a meanreduction of 69.4%).

TROUBLES OBSESSIONNELS COMPULSIFS


www.fusfoundation.org

NEUROMODULATION ULTRASONORE

ELECTRODES

DE SURFACE

ELECTRODES

IMPLANTÉES

STIMULATION

MAGNÉTIQUE

TRANSCRANIENNE

OPTOGENETIQUE ULTRASONS

Précision

Non invasif

Structures

profondes

NEUROMODULATION ULTRASONORE

Calcium imaging Sodium imaging

NEUROMODULATION SUR TRANCHES

NEUROMODULATION CHEZ LE RAT

NEUROMODULATION CHEZ LE PRIMATE ÉVEILLÉ

PENDANT UNE TÂCHE VISUELLE

NEUROMODULATION CHEZ L’HOMME 1/

NEUROMODULATION CHEZ L’HOMME 2/

CONCLUSION

IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE :« IRM fonctionnel portatif »- Très bonne résolution spatiale et temporelle - Connectivité fonctionnelle sur modèles animaux non anesthesiés En clinique chez l’adulte en peropératoire, chez l’enfant en transfontanellaire

CONCLUSION

IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE :« IRM fonctionnel portatif »- Très bonne résolution spatiale et temporelle - Connectivité fonctionnelle sur modèles animaux non anesthesiés En clinique chez l’adulte en peropératoire, chez l’enfant en transfontanellaire


« Neurochirugie fonctionnelle non invasive »- Guidé par IRM, précision millimétrique- Irréversible=> En évaluation clinique dans différents centres

Science is only human interactions

MERCI

[email protected]

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