Les ultrasons pour soigner les maladies mentales ? - Thomas Deffieux, INSERM U979, Physique des Ondes Pour la Médecine Direction Mickael Tanter ...
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Les ultrasons pour soigner les
maladies mentales ?
Thomas Deffieux, INSERM
U979, Physique des Ondes Pour la Médecine
Direction Mickael Tanter
Thomas.deffieux@espci.fr
INTERDISCIPLINARITÉ
Physique des Ondes Pour la Médecine
INSERM U979, environ 40 personnes
Direction Mickael Tanter
Disclaimer
Équipe de physiciens !
Application des ultrasons :
- à l’imagerie
- à la thérapie
I. Imagerie fonctionnelle ultrasonore II. Thérapies par ultrasons focalisés
ULTRASONS FOCALISÉS La seule onde de la nature qui peut interagir sur quelques millimètres seulement à l’intérieur du corps humain
IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE 1980 1990 1995 2011
IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE
Σ
1/ Emission d’ultrason focalisé en un point
7
IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE
Conventional ultrasound imaging
Σ
2/ Réception des échos de la zone
8
IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE
Σ
3/ Reconstruction d’une ligne de l’image
9
IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE
Σ
4/ A refaire pour chaque ligne de l’image
10IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE
Σ
50
> 5000
images/
images
/second
seconde
Environ 50 images par seconde
11IMAGERIE : RESOLUTION & VITESSE 1980 1990 1995 2011
ECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE : TECHNOLOGIE EXPONENTIELLE
2009
2007 0,2 seconde
2003 6 secondes
1996
20 minutes
60 minutesECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE
Σ
1/ Emission d’une onde plane ultrasonoreECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE 2/ Réception de tous les échos de l’image
ECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE
Σ
3/ Reconstruction complète de l’imageECHOGRAPHIE ULTRARAPIDE
Σ
5000
images
/second
> 5000
images /
seconde
Plus de 5000 images par 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
DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
21DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points / pixel
200 ms
-1
22DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points / pixel
200 ms
-1
Filtrage sang
0.1 signal Doppler
200 ms
-0.1
23DOPPLER
1 15 points / pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
24DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points / pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
25DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
26DOPPLER
1 15 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
27DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
28DOPPLER
1 15 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
29DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
30DOPPLER
Conventional ultrasound imaging
1 15 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage sang 0
-10
0.1 signal Doppler -20
-30
200 ms
-0.1
31DOPPLER ULTRASENSIBLE
32DOPPLER ULTRASENSIBLE
1 200 points/ pixel
200 ms
-1
33DOPPLER ULTRASENSIBLE
1 200 points/ pixel
200 ms
-1
Filtrage sang
0.1 Doppler signal
200 ms
-0.1
34DOPPLER ULTRASENSIBLE
1 200 points/ pixel Power Doppler I sD2 (t ) dt
200 ms
-1
dB
Filtrage Sang 0
-10
0.1 Doppler signal -20
-30
200 ms
-0.1
Boost de sensibilité
x100
35DOPPLER ULTRASENSIBLE
Conventional Doppler Ultrafast Doppler
dB dB
0 0
-10 -10
-20 -20
-30 -30
Boost de sensibilité
x100
36IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE
Voir l’activité du cerveau
Couplage neurovasculaire
entre sang et activité cérébraleIMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE
Voir l’activité du cerveau
Resting quietly
A
C
Room clock strikes 12 noon and bells of church are heard
A
C
« What is 8 x 12 ? »
A
Response Angelo Mosso
C
1846-1910
First evidence in 1879IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE
Imagerie
Conventional ultrasound imaging
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter 39
Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE
Stimulus pattern ON
(16 s)
OFF
(44 s)
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter 40
Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE
Stimulus pattern ON
(16 s)
OFF
(44 s)
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter 41
Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011IMAGERIE FONCTIONNELLE ULTRASONORE E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter 42 Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011
IMAGERIE FONCTIONNELLE DES ODEURS B. Osmanski, H. Gurden, G.Montaldo, F. Pain, M. Fink, M. Tanter
CRISE ÉPILEPTIFORME
Injection
EEG
2 hours
fUS
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter
Functional Ultrasonic Imaging of Brain Activity, Nature Methods, July 2011CRISE ÉPILEPTIFORME
CBV
changes
(%)
50
25
0
-25
E. Macé, G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink, M. Tanter, Nature Methods, July 2011CRISE ÉPILEPTIFORME
EEG
CBV changes (%)
CBV changes (%)
Propagation time (s)
Correlation
function
Propagation
time
Cortical “wave” speed
Time (s)
3.2 +- 0.3 mm/min
E. Macé , G. Montaldo, I. Cohen, M. Baulac, M. Fink and M. Tanter. Nature Methods, 8, 662-664 (2011)CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE PAR ULTRASONS
CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE PAR ULTRASONS
M1+S1HL
%PD
10
0
10
0 100 200 300 400 500 600
Temps(s)
B. Osmanski, S. Pezet, A. Ricobaraza, Z. Lenkei, M. Tanter, Nature Comm, Oct. 2014 51CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE
ET MALADIES MENTALES
•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.MODELES ANIMAUX ? fMRI
MODELES ANIMAUX NON ANESTHÉSIÉS
fMRI fUltrasound
L’imagerie fonctionnelle ultrasonore permettra de comprendre les relations
entre structures du cerveau sans anesthésie
Coll. Dr. Ivan Cohen Team, Inserm, Pitié Salpêtrière, ParisfUltrasound 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 peropératoireVers l’imagerie fonctionnelle des nouveaux nés
Imagerie transfontanellaire
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.Ultrafast Doppler Image
5
10
Cortex
15
Corpus callosum
20
mm
25
Thalamus
30
35
Medulla
0 5 10 15 20 25 30 35
mm
Cerebellum
Collaboration
Institut Langevin & Hopital Robert Debré, Paris
C. Demené,V. Biran, M. Fink, M. Alison
M. Pernot, O. Baud and M. TanterPremier échographe ultrarapide 4D, plus de 1000 volumes par seconde !
32x32 elements
1000 Volumes/s
1024 fully programmable Channels
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.Angiographie ultrasonore par Doppler ultrasensible
C. Demené, PhD Thesis
Collaboration Ivan Cohen, Lim-Anna Sieu, Inserm, Pitié Salpêtrière, ParisThérapies ultrasonores
NECROSE THERMIQUE ULTRASONORE
La seule onde de la nature qui peut interagir sur quelques
millimètres seulement à l’intérieur du corps humain
1mm foieTHÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
Haute fréquence (1MHz)
Réseau d’emetteurs
-512 elements, 1 MHz, ø 6mm, 20 W/cm2
Electronics
-512 channels, 10 W/channelTHÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
Planning SoftwareTHÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
MR temperature imaging
11°C
Thermal
effect
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.THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
Exablate 4000
GE- InSightecPre-treatment
Clinical Trial with, UVA NeurosurgeryTargeting
Alias et al, NEJM, 2013Essential 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 InSightecDOULEURS NEUROPATHIQUES
TROUBLES OBSESSIONNELS COMPULSIFS Results : The results showed gradual improvements in Y-BOCS scores (a mean improvement of 33%) over the 6-month follow-up period, and all patients showed almost immediate and sustained improvements in depression (a mean reduction of 61.1%) and anxiety (a mean reduction of 69.4%).
THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
www.fusfoundation.orgNEUROMODULATION ULTRASONORE
NEUROMODULATION ULTRASONORE
STIMULATION
ELECTRODES ELECTRODES
MAGNÉTIQUE OPTOGENETIQUE ULTRASONS
DE SURFACE IMPLANTÉES
TRANSCRANIENNE
Précision
Non invasif
Structures
profondesNEUROMODULATION ULTRASONORE
STIMULATION
ELECTRODES ELECTRODES
MAGNÉTIQUE OPTOGENETIQUE ULTRASONS
DE SURFACE IMPLANTÉES
TRANSCRANIENNE
Précision
Non invasif
Structures
profondesNEUROMODULATION SUR TRANCHES Calcium imaging Sodium imaging
NEUROMODULATION CHEZ LE RAT
NEUROMODULATION CHEZ LE PRIMATE ÉVEILLÉ
PENDANT UNE TÂCHE VISUELLENEUROMODULATION 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
THÉRAPIE ULTRASONORE DU CERVEAU
« Neurochirugie fonctionnelle non invasive »
- Guidé par IRM, précision millimétrique
- Irréversible
=> En évaluation clinique dans différents centresScience is only human interactions
MERCI
Thomas.deffieux@espci.frScience is only human interactions
MERCI
Mickael.tanter@espci.fr Jf.aubry@espci.fr Thomas.deffieux@espci.frScience is only human interactions
MERCI
Mickael.tanter@espci.fr Jf.aubry@espci.fr Thomas.deffieux@espci.frVous pouvez aussi lire
