Une équipe de chercheurs en génie du Georgia Institute of Technology espère découvrir de nouvelles façons de diagnostiquer et de traiter les affections cérébrales, des tumeurs et accidents vasculaires cérébraux à la maladie de Parkinson, en exploitant les vibrations et les ondes ultrasonores.
Le projet quinquennal de 2 millions de dollars de la National Science Foundation (NSF) lancé en 2019 a déjà abouti à la publication de plusieurs articles de journaux proposant de nouvelles méthodes prometteuses pour focaliser les ondes ultrasonores à travers le crâne, ce qui pourrait conduire à une utilisation plus large de l’imagerie par ultrasons -; considéré comme plus sûr et moins coûteux que la technologie d’imagerie par résonance magnétique (IRM).
Plus précisément, l’équipe recherche une large gamme de fréquences, allant des vibrations basses fréquences (gamme de fréquences audio) et des ondes guidées à fréquence modérée (100 kHz à 1 MHz) aux hautes fréquences utilisées dans l’imagerie cérébrale et la thérapie (dans la gamme MHz).
«Nous proposons un cadre unique qui intègre différentes perspectives de recherche pour aborder la façon dont vous utilisez le son et les vibrations pour traiter et diagnostiquer les maladies du cerveau», a expliqué Costas Arvanitis, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech et le Département de génie biomédical de Wallace H. Coulter à Georgia Tech et à l’Université Emory. « Chaque chercheur apporte sa propre expertise pour explorer comment les vibrations et les ondes à travers une gamme de fréquences pourraient soit extraire des informations du cerveau, soit concentrer l’énergie sur le cerveau. »
Accéder au cerveau est un défi difficile
Bien qu’il soit possible de traiter certaines tumeurs et autres maladies cérébrales de manière non invasive si elles sont proches du centre du cerveau, de nombreuses autres conditions sont plus difficiles d’accès, selon les chercheurs.
« La partie centrale du cerveau est la plus accessible; cependant, même si vous êtes en mesure de cibler la partie du cerveau loin du centre, vous devez toujours passer par le crâne », a déclaré Arvanitis.
Il a ajouté que se déplacer à seulement 1 millimètre dans le cerveau constitue « une énorme distance » du point de vue du diagnostic. La communauté scientifique reconnaît largement la complexité du cerveau, chaque partie étant associée à une fonction différente et les cellules cérébrales différant les unes des autres.
Selon Brooks Lindsey, professeur adjoint en génie biomédical à Georgia Tech et Emory, il y a une raison pour laquelle l’imagerie ou la thérapie cérébrale fonctionne bien chez certaines personnes mais pas chez d’autres.
«Cela dépend des caractéristiques du crâne de chaque patient», a-t-il dit, notant que certaines personnes ont un os légèrement plus trabéculaire – la partie spongieuse et poreuse de l’os – ce qui le rend plus difficile à traiter.
À l’aide d’ondes ultrasonores, les chercheurs relèvent le défi à plusieurs niveaux. Le laboratoire de Lindsey utilise l’imagerie par ultrasons pour évaluer les propriétés du crâne pour une imagerie et une thérapie efficaces. Il a dit que son équipe a mené la première enquête qui utilise l’imagerie par ultrasons pour mesurer les effets de la microstructure osseuse -; plus précisément, le degré de porosité de la couche osseuse trabéculaire interne du crâne.
« En comprenant la transmission des ondes acoustiques à travers la microstructure dans le crâne d’un individu, l’imagerie par ultrasons non invasive du cerveau et l’administration de la thérapie pourraient être possibles chez un plus grand nombre de personnes », a-t-il déclaré, expliquant qu’une application potentielle serait l’image du flux sanguin. dans le cerveau après un accident vasculaire cérébral.
Recentrage des faisceaux d’échographie à la volée
Le laboratoire d’Arvanitis a récemment trouvé une nouvelle façon de concentrer les ultrasons à travers le crâne et dans le cerveau, qui est «100 fois plus rapide que toute autre méthode», a déclaré Arvanitis. Le travail de son équipe sur les techniques de mise au point adaptative permettrait aux cliniciens d’ajuster l’échographie à la volée pour mieux la focaliser.
«Les systèmes actuels reposent beaucoup sur les IRM, qui sont grandes, encombrantes et extrêmement coûteuses», a-t-il déclaré. «Cette méthode vous permet d’adapter et de recentrer le faisceau. À l’avenir, cela pourrait nous permettre de concevoir des systèmes moins coûteux et plus simples, qui rendraient la technologie accessible à une population plus large, tout en étant en mesure de traiter différentes parties du cerveau. «
Utilisation des « ondes guidées » pour accéder aux zones cérébrales périphériques
Une autre cohorte de recherche, dirigée par Alper Erturk, professeur Woodruff de génie mécanique à Georgia Tech, et ancien collègue de Georgia Tech Massimo Ruzzene, professeur Slade de génie mécanique à l’Université du Colorado Boulder, effectue une modélisation haute fidélité de la mécanique de l’os du crâne ainsi que des vibrations. -identification des paramètres élastiques. Ils exploitent également les ondes ultrasonores guidées dans le crâne pour élargir l’enveloppe de traitement dans le cerveau. Erturk et Ruzzene sont des ingénieurs en mécanique de formation, ce qui rend leur exploration des vibrations et des ondes guidées dans des zones cérébrales difficiles à atteindre particulièrement fascinantes.
Erturk a noté que les ondes guidées sont utilisées dans d’autres applications telles que l’aérospatiale et les structures civiles pour la détection des dommages. «Une modélisation précise de la géométrie et de la microstructure osseuse complexes, combinée à des expériences rigoureuses pour l’identification des paramètres, est cruciale pour une compréhension fondamentale afin d’étendre la région accessible du cerveau», a-t-il déclaré.
Ruzzene a comparé le cerveau et le crâne au noyau et à la croûte terrestre, les ondes guidées crâniennes agissant comme un tremblement de terre. Tout comme les géophysiciens utilisent les données de tremblement de terre à la surface de la Terre pour comprendre le noyau de la Terre, Erturk et Ruzzene utilisent les ondes guidées pour générer de minuscules «tremblements de terre» à haute fréquence sur la surface externe du crâne pour caractériser ce qui comprend l’os crânien.
Essayer d’accéder à la périphérie du cerveau via des ultrasons conventionnels présente des risques supplémentaires liés au réchauffement du crâne. Heureusement, des progrès tels que les ondes de Lamb crâniennes qui fuient de plus en plus sont de plus en plus reconnus pour transmettre l’énergie des vagues à cette région du cerveau.
Ces ondes guidées crâniennes pourraient compléter les applications d’ultrasons focalisés pour surveiller les changements dans la moelle osseuse crânienne dus à des troubles de santé, ou pour transmettre efficacement des signaux acoustiques à travers la barrière crânienne, ce qui pourrait aider à accéder aux métastases et traiter les conditions neurologiques dans les régions actuellement inaccessibles du cerveau.
En fin de compte, les quatre chercheurs espèrent que leurs travaux rendront possible l’imagerie cérébrale complète tout en stimulant de nouvelles techniques d’imagerie médicale et de thérapie. En plus de transformer le diagnostic et le traitement des maladies du cerveau, les techniques pourraient mieux détecter les traumatismes et les défauts liés au crâne, cartographier la fonction cérébrale et permettre la neurostimulation. Les chercheurs voient également le potentiel de découvrir des ouvertures de barrière hémato-encéphalique basées sur les ultrasons pour l’administration de médicaments pour la gestion et le traitement de maladies telles que la maladie d’Alzheimer.
Grâce à cette recherche approfondie du système crâne-cerveau et en comprenant les principes fondamentaux de l’échographie transcrânienne, l’équipe espère la rendre plus disponible pour encore plus de maladies et cibler de nombreuses parties du cerveau.
La source:
Institut de technologie de la Géorgie