Thesis by RIBAULT Mathieu
Ultrasonic characterization of lesions induced by high-intensity focused ultrasound
Defended on 25 january 1999
Treatment by high-intensity focused ultrasound (HIFU) is currently recognized as a surgical specialty, particularly in the field of urology however, no simple control tool exists that operates in real time with non-invasive effects. The purpose of this study is to design a system that can provide real-time monitoring of HIFU treatment, with a particular interest in applications to cancer of the prostate. The choice of a method based on ultrasonic imaging is required because the equipment used for treatment has an echographic tracking system. A feasibility study to measure tissue temperature by ultrasound shows that it is possible to study the variations in temperature corresponding to the hyper-thermal range, but that the extreme conditions of HIFU treatment are hindering advances in this research direction. A method of tissue characterization by measurement of attenuation is then studied. A system is designed to acquire, from an echographic output, the radiofrequency (RF) signals backscattered by the tissue. Two methods of estimating the attenuation in reflection are used, first on phantoms, to calibrate the system of measurement and determine calculation constants, and then on the human prostate. These last results reveal the difficulty of such an in vivo estimate on an organ that is not perfectly homogeneous. An imaging method based on local measure of the variation of attenuation is then developed in vitro. Variations of the average level of attenuation (integrated attenuation) in the order of 85 % can be noted in the treated zones, whereas the slope of attenuation seems to vary little. On this basis, a parameter, the attenuation differential, corresponding to the local variation of the average level of measured attenuation before and after treatment, is used to form images that present a good correlation with the macroscopic tissue sections. Differential imagery eliminates the need for any correction of diffraction and additionally keeps the image from being obstructed by heterogeneities in the medium.
Caractérisation ultrasonore de lésions induites par ultrasons focalisés de haute intensité
Soutenue le 25 January 1999
Les traitements par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) sont actuellement reconnus dans le domaine chirurgical, en particulier pour leurs applications en urologie. Pourtant, il n’existe pas d’outil de contrôle simple à la fois temps réel et non invasif de leurs effets. Cette étude a pour but de concevoir un système de monitoring temps réel des traitements par HIFU, avec un intérêt tout particulier pour leur application au cancer de la prostate. Le choix d’une méthode basée sur l’imagerie ultrasonore s’impose dès lors que l’appareillage utilisé pour ces traitements possède un système de repérage échographique. Une étude de faisabilité de mesure de température des tissus par ultrasons montre qu’il est possible d’étudier des variations de température correspondant au domaine de l’hyperthermie, mais que les conditions extrêmes des traitements par HIFU ne permettent pas d’aller plus avant dans cette direction de recherche. Une méthode de caractérisation tissulaire par mesure d’atténuation est ensuite étudiée. Un système est conçu pour acquérir, en sortie d’un échographe, les signaux radio fréquence (RF) rétrodiffusés par les tissus. Deux méthodes d’estimation de l’atténuation en réflexion sont utilisées, d’abord sur des fantômes pour calibrer le système de mesure et déterminer les constantes de calcul, puis sur la prostate humaine. Ces derniers résultats montrent toute la difficulté d’une telle estimation in vivo sur un organe qui n’est pas parfaitement homogène. Une méthode d’imagerie basée sur la mesure locale de variation d’atténuation est ensuite développée in vitro. Des variations de l’ordre de 85 % du niveau d’atténuation moyen (integrated attenuation) peuvent être notées dans les zones traitées, alors que la pente d’atténuation semble peu varier. Sur cette base, un paramètre- le différentiel d’atténuation- correspondant à la variation locale du niveau d’atténuation moyen mesuré avant et après traitement, est utilisé pour former des images présentant une bonne corrélation avec les coupes macroscopiques de tissu. L’imagerie différentielle permet d’une part d’éviter toute correction de diffraction et d’autre part de ne pas être gêné par les hétérogénéités du milieu.
Defended on 25 january 1999
Treatment by high-intensity focused ultrasound (HIFU) is currently recognized as a surgical specialty, particularly in the field of urology however, no simple control tool exists that operates in real time with non-invasive effects. The purpose of this study is to design a system that can provide real-time monitoring of HIFU treatment, with a particular interest in applications to cancer of the prostate. The choice of a method based on ultrasonic imaging is required because the equipment used for treatment has an echographic tracking system. A feasibility study to measure tissue temperature by ultrasound shows that it is possible to study the variations in temperature corresponding to the hyper-thermal range, but that the extreme conditions of HIFU treatment are hindering advances in this research direction. A method of tissue characterization by measurement of attenuation is then studied. A system is designed to acquire, from an echographic output, the radiofrequency (RF) signals backscattered by the tissue. Two methods of estimating the attenuation in reflection are used, first on phantoms, to calibrate the system of measurement and determine calculation constants, and then on the human prostate. These last results reveal the difficulty of such an in vivo estimate on an organ that is not perfectly homogeneous. An imaging method based on local measure of the variation of attenuation is then developed in vitro. Variations of the average level of attenuation (integrated attenuation) in the order of 85 % can be noted in the treated zones, whereas the slope of attenuation seems to vary little. On this basis, a parameter, the attenuation differential, corresponding to the local variation of the average level of measured attenuation before and after treatment, is used to form images that present a good correlation with the macroscopic tissue sections. Differential imagery eliminates the need for any correction of diffraction and additionally keeps the image from being obstructed by heterogeneities in the medium.
Caractérisation ultrasonore de lésions induites par ultrasons focalisés de haute intensité
Soutenue le 25 January 1999
Les traitements par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) sont actuellement reconnus dans le domaine chirurgical, en particulier pour leurs applications en urologie. Pourtant, il n’existe pas d’outil de contrôle simple à la fois temps réel et non invasif de leurs effets. Cette étude a pour but de concevoir un système de monitoring temps réel des traitements par HIFU, avec un intérêt tout particulier pour leur application au cancer de la prostate. Le choix d’une méthode basée sur l’imagerie ultrasonore s’impose dès lors que l’appareillage utilisé pour ces traitements possède un système de repérage échographique. Une étude de faisabilité de mesure de température des tissus par ultrasons montre qu’il est possible d’étudier des variations de température correspondant au domaine de l’hyperthermie, mais que les conditions extrêmes des traitements par HIFU ne permettent pas d’aller plus avant dans cette direction de recherche. Une méthode de caractérisation tissulaire par mesure d’atténuation est ensuite étudiée. Un système est conçu pour acquérir, en sortie d’un échographe, les signaux radio fréquence (RF) rétrodiffusés par les tissus. Deux méthodes d’estimation de l’atténuation en réflexion sont utilisées, d’abord sur des fantômes pour calibrer le système de mesure et déterminer les constantes de calcul, puis sur la prostate humaine. Ces derniers résultats montrent toute la difficulté d’une telle estimation in vivo sur un organe qui n’est pas parfaitement homogène. Une méthode d’imagerie basée sur la mesure locale de variation d’atténuation est ensuite développée in vitro. Des variations de l’ordre de 85 % du niveau d’atténuation moyen (integrated attenuation) peuvent être notées dans les zones traitées, alors que la pente d’atténuation semble peu varier. Sur cette base, un paramètre- le différentiel d’atténuation- correspondant à la variation locale du niveau d’atténuation moyen mesuré avant et après traitement, est utilisé pour former des images présentant une bonne corrélation avec les coupes macroscopiques de tissu. L’imagerie différentielle permet d’une part d’éviter toute correction de diffraction et d’autre part de ne pas être gêné par les hétérogénéités du milieu.
