Contrôle temporel de la cavitation ultrasonore : application à la thrombolyse ultrasonore extracorporelle

Focused ultrasound can be used for therapeutic applications in the human body. In cardiovascular applications, they can destroy blood clots formed in the vascular system. In this case, thrombolysis mechanisms are related to ultrasonic cavitation, but the complex dynamics remains an obstacle to the development of a therapeutic device. In this thesis, a system for the temporal control of the pulsed cavitation activity has been developed and characterized. This device uses a focused transducer and a hydrophone with a feedback loop for regulating the cavitation activity. While cavitation activity has a random behaviour in non-regulated conditions, the control system developed achieves a desired level of cavitation with very reproducibly and with good temporal stability. The application of this device to the ultrasound thrombolysis was tested in vitro on human blood clots. In the previous device was added a system for moving the blood clot at the focal point, and a tube for counting the number of fragments released by the destruction of the clot. In comparison to uncontrolled regime, tests showed an excellent thrombolytic efficacy and a very good reproducibility, with reduced acoustic intensities. In parallel to the in vitro tests, ultrasound thrombolysis was tested in vivo on an animal model of acute limb ischemia. An extracorporeal ultrasound device, guided by ultrasound and mounted on a robotic arm, has been developed for in vivo investigation. An ovine model of arterial thrombosis has also been developed. Tests were used to validate the feasibility of the model of arterial clots and to validate in vivo the concept of purely ultrasonic extracorporeal thrombolysis based on inertial cavitation regulation systemLes ultrasons focalisés permettent d’effectuer des traitements thérapeutiques ciblés dans le corps humain. Dans le domaine des applications cardiovasculaires, ils permettent de détruire des caillots sanguins susceptibles de se former dans le système vasculaire. Dans ce cas, les mécanismes de thrombolyse sont largement liés à la cavitation ultrasonore, dont la dynamique complexe reste un obstacle à l’élaboration d’un dispositif thérapeutique. Dans le cadre de cette thèse, un système permettant le contrôle temporel de l’activité de cavitation en régime pulsé a été développé puis caractérisé. Ce dispositif utilise un transducteur focalisé et un hydrophone avec une boucle de rétroaction pour réguler l’activité de cavitation. Alors qu’en régime non régulé l’activité de cavitation a un caractère très aléatoire, le système de régulation mis au point permet d’atteindre un niveau de cavitation souhaité de manière très reproductible et avec une bonne stabilité temporelle. L’application de ce dispositif à la thrombolyse ultrasonore a été testée in vitro sur des caillots de sang humain. Au dispositif précédent a été ajouté un système permettant de déplacer le caillot sanguin au niveau du foyer, ainsi qu’un conduit permettant de compter le nombre de fragments libérés par la destruction du caillot. En comparaison des essais en régime non régulé, les essais en régime régulé ont montré une excellente efficacité thrombolytique et une très bonne reproductibilité, tout en diminuant les intensités acoustiques utilisées pour lyser les caillots sanguins. En parallèle des essais in vitro, une campagne de thrombolyse ultrasonore in vivo a été mise en place afin de réaliser des essais sur un modèle animal d’ischémie aiguë de membre inférieur. Un dispositif ultrasonore extracorporel in vivo guidé par échographie et monté sur un bras robotisé 6 axes a été développé. Un modèle ovin de thrombose artérielle a également été développé. Les tests ont permis de valider, d’une part, la faisabilité du modèle de caillot artériel et, d’autre part, le concept de thrombolyse extracorporelle purement ultrasonore basée sur la cavitation inertielle régulé

Photon correlation spectroscopy on a single quantum dot embedded in a nanowire

We have observed strong photoluminescence from a single CdSe quantum dot embedded in a ZnSe nanowire. Exciton, biexciton and charged exciton lines have been identified unambiguously using photon correlation spectroscopy. This technique has provided a detailed picture of the dynamics of this new system. This type of semi conducting quantum dot turns out to be a very efficient single photon source in the visible. Its particular growth technique opens new possibilities as compared to the usual self-asssembled quantum dots

Passive cavitation imaging using an open ultrasonic system and time reversal reconstruction

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. Elles sont le plus souvent provoquées par l'obstruction des vaisseaux par des caillots sanguins entrainant un manque d'oxygène dans les cellules. La thrombolyse ultrasonore extracorporelle constituerait un traitement innovant utilisant des ultrasons focalisés pour détruire les caillots sanguins en tirant parti de l'aspect mécanique de la cavitation acoustique. Un prototype a été conçu et amélioré afin de contrôler l'activité de cavitation. Pour suivre le processus de cavitation en temps réel, un système d'imagerie ultrasonore ouvert est utilisé. Les données brutes sont acquises en utilisant une sonde linéaire de 64 éléments actifs dans un mode d'imagerie passive. Lors du traitement de ces données, sur le principe du retournement temporel, le signal acoustique enregistré par la sonde est retro-propagées afin de localiser l'activité de cavitation

Dark exciton optical spectroscopy of a semiconducting quantum dot embedded in a nanowire

Photoluminescence of a single CdSe quantum dot embedded in a ZnSe nanowire has been investigated. It has been found that the dark exciton has a strong influence on the optical properties. The most visible influence is the strongly reduced excitonic emission compared to the biexcitonic one. Temperature dependent lifetime measurements have allowed us to measure a large splitting of $\Delta E = 6$ meV between the dark and the bright exciton as well as the spin flip rates between these two states

Contrôle temporel et spatial de la cavitation acoustique pour des tests de thrombolyse ultrasonore extracorporelle

Les ultrasons focalisés permettent de détruire des caillots sanguins notamment en exploitant les effets mécaniques associés à la cavitation acoustique, dont la dynamique complexe reste un obstacle à l'élaboration d'un dispositif thérapeutique. Un meilleur contrôle de cette dynamique est donc nécessaire pour le développement d'une telle application. Un système permettant le contrôle temporel et spatial de la cavitation en régime pulsé a donc été développé dans le but de réaliser des tests de thrombolyse ultrasonore extracorporelle. Ce système utilise, d'une part, un transducteur focalisé, un hydrophone et une boucle de rétroaction, réalisée à l'aide d'un dispositif FPGA, pour réguler l'activité de cavitation et, d'autre part, un système d'échographie, et un bras robotisé permettant le placement et le balayage par la sonde de thérapie du caillot sanguin à traiter. Le contrôle de la cavitation a été testé et caractérisé en eau dégazée. Les essais ont montré, d'une part, que le système de régulation permet d'atteindre un niveau de cavitation souhaité en régime pulsé de manière très reproductible et avec une bonne stabilité temporelle et, d'autre part, qu'il permet de repérer où se situe le nuage de cavitation le long de l'axe acoustique

Temporal control of ultrasound cavitation : application to extracorporeal ultrasound thrombolysis

Les ultrasons focalisés permettent d’effectuer des traitements thérapeutiques ciblés dans le corps humain. Dans le domaine des applications cardiovasculaires, ils permettent de détruire des caillots sanguins susceptibles de se former dans le système vasculaire. Dans ce cas, les mécanismes de thrombolyse sont largement liés à la cavitation ultrasonore, dont la dynamique complexe reste un obstacle à l’élaboration d’un dispositif thérapeutique. Dans le cadre de cette thèse, un système permettant le contrôle temporel de l’activité de cavitation en régime pulsé a été développé puis caractérisé. Ce dispositif utilise un transducteur focalisé et un hydrophone avec une boucle de rétroaction pour réguler l’activité de cavitation. Alors qu’en régime non régulé l’activité de cavitation a un caractère très aléatoire, le système de régulation mis au point permet d’atteindre un niveau de cavitation souhaité de manière très reproductible et avec une bonne stabilité temporelle. L’application de ce dispositif à la thrombolyse ultrasonore a été testée in vitro sur des caillots de sang humain. Au dispositif précédent a été ajouté un système permettant de déplacer le caillot sanguin au niveau du foyer, ainsi qu’un conduit permettant de compter le nombre de fragments libérés par la destruction du caillot. En comparaison des essais en régime non régulé, les essais en régime régulé ont montré une excellente efficacité thrombolytique et une très bonne reproductibilité, tout en diminuant les intensités acoustiques utilisées pour lyser les caillots sanguins. En parallèle des essais in vitro, une campagne de thrombolyse ultrasonore in vivo a été mise en place afin de réaliser des essais sur un modèle animal d’ischémie aiguë de membre inférieur. Un dispositif ultrasonore extracorporel in vivo guidé par échographie et monté sur un bras robotisé 6 axes a été développé. Un modèle ovin de thrombose artérielle a également été développé. Les tests ont permis de valider, d’une part, la faisabilité du modèle de caillot artériel et, d’autre part, le concept de thrombolyse extracorporelle purement ultrasonore basée sur la cavitation inertielle réguléeFocused ultrasound can be used for therapeutic applications in the human body. In cardiovascular applications, they can destroy blood clots formed in the vascular system. In this case, thrombolysis mechanisms are related to ultrasonic cavitation, but the complex dynamics remains an obstacle to the development of a therapeutic device. In this thesis, a system for the temporal control of the pulsed cavitation activity has been developed and characterized. This device uses a focused transducer and a hydrophone with a feedback loop for regulating the cavitation activity. While cavitation activity has a random behaviour in non-regulated conditions, the control system developed achieves a desired level of cavitation with very reproducibly and with good temporal stability. The application of this device to the ultrasound thrombolysis was tested in vitro on human blood clots. In the previous device was added a system for moving the blood clot at the focal point, and a tube for counting the number of fragments released by the destruction of the clot. In comparison to uncontrolled regime, tests showed an excellent thrombolytic efficacy and a very good reproducibility, with reduced acoustic intensities. In parallel to the in vitro tests, ultrasound thrombolysis was tested in vivo on an animal model of acute limb ischemia. An extracorporeal ultrasound device, guided by ultrasound and mounted on a robotic arm, has been developed for in vivo investigation. An ovine model of arterial thrombosis has also been developed. Tests were used to validate the feasibility of the model of arterial clots and to validate in vivo the concept of purely ultrasonic extracorporeal thrombolysis based on inertial cavitation regulation syste

Régulation temporelle de l'activité de cavitation ultrasonore : application à la thrombolyse ultrasonore extracorporelle

Les ultrasons focalisés permettent d’effectuer des traitements thérapeutiques ciblés dans le corps humain. Dans le domaine des applications cardiovasculaires il a notamment été montré qu'ils pouvaient détruire des caillots sanguins susceptibles de se former dans le système vasculaire. Dans ce cas, les mécanismes de thrombolyse sont liés à la cavitation ultrasonore, dont le caractère fortement aléatoire pose des problèmes de maîtrise du traitement envisagé. Un meilleur contrôle de l’activité de cavitation ultrasonore constitue donc une voie incontournable pour envisager le développement d’un dispositif thérapeutique. Dans le cadre de cette étude, un système permettant le contrôle temporel de la cavitation ultrasonore en régime pulsé (période 250 ms, rapport-cyclique 0.1) a été développé. Ce système utilise d'une part un transducteur focalisé (550 kHz) pour générer le champ acoustique et d'autre part un hydrophone permettant l'écoute de la cavitation, avec une boucle de rétroaction réalisée à l'aide d'un circuit logique programmable (FPGA) qui permet d'atteindre des temps de bouclage de 0.3 ms. Le dispositif de régulation a été caractérisé dans une cuve d’eau dégazée, et permet d’atteindre un niveau de cavitation souhaité de manière reproductible et avec une bonne stabilité temporelle. L'application de ce dispositif à la thrombolyse ultrasonore a été testée in-vitro sur des caillots de sang humain. En comparaison des essais réalisés en boucle ouverte, les essais préliminaires en boucle fermée ont montré une excellente efficacité thrombolytique, et une très bonne reproductibilité lorsque l'activité de cavitation est suffisante pour obtenir une efficacité de 70 % ou plus. La distribution des tailles de fragments libérés a également été examinée afin d'identifier les paramètres permettant de limiter la libération de gros fragments susceptibles de provoquer un autre accident vasculaire en aval