Thesis by MELODELIMA David
Intraluminal ultrasound applicator with electronic beam steering for oesophagus tumour ablation under MRI guidance: Optimization of the coagulated depth by combination with cavitation.
Defended on 6 september 2004
New curative and palliative treatments must be proposed in order to respond to the bad long-term prognosis of oesophageal cancers. In this study, an intraluminal ultrasound applicator (10 mm OD) with electronic beam steering was developed for oesophagus tumour ablation by thermal effect. In the first chapter, the topics of this work are positioned in the general context of oesophageal cancer treatments and in the context of high intensity ultrasound (HIU) for therapy. Treatments by HIU are well-delimited damages to surrounding tissues are minimal. Tissues were coagulated by a temperature increase contained between 20 to 50°C for several seconds. A first intraluminal ultrasound applicator using a plane rotating transducer (10 MHz), guided by ultrasound imaging was developed. This prototype was used clinically with good first results. Improvements were made to this system. An applicator compatible with “real-time” MR temperature mapping was developed. Ex vivo trials were performed to demonstrate the applicator compatibility with a clinical MRI scanner (1.5 T). Further experiments were performed on pig oesophagus to demonstrate the feasibility of sectorial thermal ablation using intraluminal ultrasound and on line MR temperature monitoring. An intraluminal (10 mm OD) cylindrical ultrasound applicator with electronic beam steering (64 transducers) was then developed. All the transducers work at 4.6 MHz and this applicator is also compatible with “real-time” MR temperature mapping. Ex vivo trials were performed to demonstrate the accuracy of temperature mapping and calculation of the cylindrical coagulated volume (up to 17 mm in depth). Trials were finally performed to optimize the energy delivered by a plane transducer. It is demonstrated here that the coagulated depth can be increased by temporarily creating cavitation bubbles in such a way that ultrasound attenuation becomes stronger in the zone where tissue heating is insufficient. In vitro experiments in liver tissue confirm that bubbles are indeed located in this zone and that the effective depth of coagulation necrosis is doubled. This method was tested in vivo on healthy tissues and on tumours inoculated in rats. Results show that tumours were completely destroyed and that the risk of tumour dissemination was not increased.
Applicateur ultrasonore intraluminal à balayage électronique pour le traitement des cancers de l’œsophage guidé par IRM : Optimisation de la profondeur traitée par association de la cavitation.
Soutenue le 6 September 2004
Un applicateur ultrasonore à balayage électronique de 10 mm de diamètre a été développé pour le traitement, par ablation thermique, des tumeurs oesophagiennes pour lesquelles aucune solution efficace n'existe. Ces travaux ont été réalisés en plusieurs étapes. Dans un premier temps, une étude bibliographique a permis de a permis de recenser et de comparer les différents moyens utilisés pour traiter les cancers de l'œsophage. Parmi les différentes approches possibles, les ultrasons de haute intensité ont été préférés pour induire une destruction tissulaire dont la géométrie est contrôlable de façon précise. Les tissus sont coagulés en générant des élévations de température de 20 à 50°C en quelques secondes. Le première étude a permis de mettre au point un applicateur de 10 mm de diamètre équipé d'un transducteur plan fonctionnant à 10 MHz. Des traitements en cliniques, guidés par échographie et fluoroscopie ont été réalisés sur trois patients. Les résultats obtenus sont très encourageants, l'intégralité de la masse tumorale traitée est détruite ce qui apporte une amélioration significative des conditions de vie des patients en supprimant leur dysphagie. Deux modifications ont ensuite été apportées. La première a permis de rendre l'applicateur ultrasonore compatible avec un environnement d'imagerie par résonance magnétique. Des études ont été conduites ex vivo, puis in vivo sur animaux en endoscopie oesophagienne avec des résultats très satisfaisants. La deuxième modification, décrite au chapitre 4, permet de remplacer la rotation mécanique des précédents applicateurs par un balayage électronique du faisceau ultrasonore. Soixante quatre transducteurs sont disposés sur toute la périphérie d'un cylindre de 10 mm de diamètre. L'applicateur ultrasonore construit sur ce principe est complètement compatible avec un environnement IRM comme l'ont montré les résultats obtenus ex vivo. Dans le but de traiter de plus larges volumes (notamment dans le cadre du traitement des cancers du foie) des travaux sont conduits pour optimiser la profondeur coagulée par un transducteur plan intraluminal. L'atténuation effective du milieu traversé est augmentée uniquement dans la région contenant ces bulles, ce qui permet d'augmenter également la densité de puissance absorbée. La profondeur coagulée ex vivo est dans ce cas deux fois plus importante. Cette technique de traitement a été testée in vivo sur des tissus sains puis sur des tumeurs inoculées à des rats. Les tumeurs traitées par cette méthode sont complètement détruites 10 jours après le traitement et le risque métastatique n'est pas accru par l'effet de cavitation.
Defended on 6 september 2004
New curative and palliative treatments must be proposed in order to respond to the bad long-term prognosis of oesophageal cancers. In this study, an intraluminal ultrasound applicator (10 mm OD) with electronic beam steering was developed for oesophagus tumour ablation by thermal effect. In the first chapter, the topics of this work are positioned in the general context of oesophageal cancer treatments and in the context of high intensity ultrasound (HIU) for therapy. Treatments by HIU are well-delimited damages to surrounding tissues are minimal. Tissues were coagulated by a temperature increase contained between 20 to 50°C for several seconds. A first intraluminal ultrasound applicator using a plane rotating transducer (10 MHz), guided by ultrasound imaging was developed. This prototype was used clinically with good first results. Improvements were made to this system. An applicator compatible with “real-time” MR temperature mapping was developed. Ex vivo trials were performed to demonstrate the applicator compatibility with a clinical MRI scanner (1.5 T). Further experiments were performed on pig oesophagus to demonstrate the feasibility of sectorial thermal ablation using intraluminal ultrasound and on line MR temperature monitoring. An intraluminal (10 mm OD) cylindrical ultrasound applicator with electronic beam steering (64 transducers) was then developed. All the transducers work at 4.6 MHz and this applicator is also compatible with “real-time” MR temperature mapping. Ex vivo trials were performed to demonstrate the accuracy of temperature mapping and calculation of the cylindrical coagulated volume (up to 17 mm in depth). Trials were finally performed to optimize the energy delivered by a plane transducer. It is demonstrated here that the coagulated depth can be increased by temporarily creating cavitation bubbles in such a way that ultrasound attenuation becomes stronger in the zone where tissue heating is insufficient. In vitro experiments in liver tissue confirm that bubbles are indeed located in this zone and that the effective depth of coagulation necrosis is doubled. This method was tested in vivo on healthy tissues and on tumours inoculated in rats. Results show that tumours were completely destroyed and that the risk of tumour dissemination was not increased.
Applicateur ultrasonore intraluminal à balayage électronique pour le traitement des cancers de l’œsophage guidé par IRM : Optimisation de la profondeur traitée par association de la cavitation.
Soutenue le 6 September 2004
Un applicateur ultrasonore à balayage électronique de 10 mm de diamètre a été développé pour le traitement, par ablation thermique, des tumeurs oesophagiennes pour lesquelles aucune solution efficace n'existe. Ces travaux ont été réalisés en plusieurs étapes. Dans un premier temps, une étude bibliographique a permis de a permis de recenser et de comparer les différents moyens utilisés pour traiter les cancers de l'œsophage. Parmi les différentes approches possibles, les ultrasons de haute intensité ont été préférés pour induire une destruction tissulaire dont la géométrie est contrôlable de façon précise. Les tissus sont coagulés en générant des élévations de température de 20 à 50°C en quelques secondes. Le première étude a permis de mettre au point un applicateur de 10 mm de diamètre équipé d'un transducteur plan fonctionnant à 10 MHz. Des traitements en cliniques, guidés par échographie et fluoroscopie ont été réalisés sur trois patients. Les résultats obtenus sont très encourageants, l'intégralité de la masse tumorale traitée est détruite ce qui apporte une amélioration significative des conditions de vie des patients en supprimant leur dysphagie. Deux modifications ont ensuite été apportées. La première a permis de rendre l'applicateur ultrasonore compatible avec un environnement d'imagerie par résonance magnétique. Des études ont été conduites ex vivo, puis in vivo sur animaux en endoscopie oesophagienne avec des résultats très satisfaisants. La deuxième modification, décrite au chapitre 4, permet de remplacer la rotation mécanique des précédents applicateurs par un balayage électronique du faisceau ultrasonore. Soixante quatre transducteurs sont disposés sur toute la périphérie d'un cylindre de 10 mm de diamètre. L'applicateur ultrasonore construit sur ce principe est complètement compatible avec un environnement IRM comme l'ont montré les résultats obtenus ex vivo. Dans le but de traiter de plus larges volumes (notamment dans le cadre du traitement des cancers du foie) des travaux sont conduits pour optimiser la profondeur coagulée par un transducteur plan intraluminal. L'atténuation effective du milieu traversé est augmentée uniquement dans la région contenant ces bulles, ce qui permet d'augmenter également la densité de puissance absorbée. La profondeur coagulée ex vivo est dans ce cas deux fois plus importante. Cette technique de traitement a été testée in vivo sur des tissus sains puis sur des tumeurs inoculées à des rats. Les tumeurs traitées par cette méthode sont complètement détruites 10 jours après le traitement et le risque métastatique n'est pas accru par l'effet de cavitation.
