Thesis by AUBOIROUX Vincent
New approaches in the development of an MR-compliant phased-array HIFU transducer with augmented steering range
Defended on 12 july 2011
A novel architecture for a phased array HIFU device was investigated, which aims to increase the electronic steering capability without reducing the size of the elementary emitters. The principal medical application expected to benefit from these developments is the time-effective sonication of large tumours in moving organs. The underlying principle consists of dividing the full array of transducers into multiple sub-arrays at different resonant frequencies, with the reorientation of these individual emitters, such that each sub-array focuses in a specific spatial zone. To ensure the MR-compatibility of the device and in order to halve the number of output channels from the RF generator, a passive spectral multiplexing technique was used, consisting of the parallel wiring of frequency-shifted paired piezoceramic emitters with intrinsic narrow band response. Two families of 64 emitters (circular, 5 mm diameter) were mounted, with optimum efficiency at 0.96 MHz and 1.03 MHz respectively. Different prototypes of the HIFU device were built and tested, each incorporating the same two families of emitters, but differing in the shape of the rapid prototyping plastic support that accommodates the transducers. Acoustic measurements, MR-ARFI (ex vivo) and MR-thermometry (ex vivo and in vivo) were used for the characterisation of the prototypes. Experimental results demonstrated an augmentation of the steering range by 80 % along one preferentially chosen axis, compared to a classic spherical array of the same total number of elements. Another important advantage of the current approach is the versatility of reshaping the array at low cost.
Développement d'une nouvelle génération de transducteur HIFU IRM-compatible à capacité de déflexion élargie
Soutenue le 12 July 2011
Une nouvelle architecture de transducteur ultrasonore matriciel HIFU a été développée dans le but d’augmenter leur capacité de déflexion électronique sans diminution de la taille des émetteurs élémentaires. La principale application médicale sensée bénéficier de ces développements est la destruction rapide de zones tumorales volumineuses dans les organes mobiles. La méthode proposée consiste à diviser le réseau de transducteurs en de multiples sous-réseaux résonants à des fréquences différentes, et à les réorienter afin que chacun d’eux couvre une zone spatiale différente. Afin d’assurer la compatibilité IRM des transducteurs, une technique de multiplexage spectral passif a été utilisée : celle-ci repose sur le câblage en parallèle de paires d’émetteurs à bande fréquentielle étroite ayant des fréquences de résonance différentes. Deux familles de 64 émetteurs (circulaire, 5 mm de diamètre) ont été fabriquées, avec des rendements maximum respectifs à 0.96 MHz et 1.03 MHz. Différents prototypes ont été fabriqués et testés, chacun d’eux incorporant les émetteurs des deux familles, à l’aide de supports plastiques dédiés obtenus par prototypage rapide. Les prototypes ont été caractérisés à l’aide de différentes méthodes : caractérisation acoustique, ARFI-IRM (ex vivo) et thermométrie-IRM (ex vivo et in vivo). Les résultats expérimentaux ont montré une augmentation de la déflexion électronique allant jusqu’à 80 % le long d’un axe préférentiel, en comparaison avec un transducteur hémisphérique ayant les même nombre total d’éléments. Un autre avantage important de l’approche choisie tient à la possibilité de modifier la forme du transducteur à faible coût.
Defended on 12 july 2011
A novel architecture for a phased array HIFU device was investigated, which aims to increase the electronic steering capability without reducing the size of the elementary emitters. The principal medical application expected to benefit from these developments is the time-effective sonication of large tumours in moving organs. The underlying principle consists of dividing the full array of transducers into multiple sub-arrays at different resonant frequencies, with the reorientation of these individual emitters, such that each sub-array focuses in a specific spatial zone. To ensure the MR-compatibility of the device and in order to halve the number of output channels from the RF generator, a passive spectral multiplexing technique was used, consisting of the parallel wiring of frequency-shifted paired piezoceramic emitters with intrinsic narrow band response. Two families of 64 emitters (circular, 5 mm diameter) were mounted, with optimum efficiency at 0.96 MHz and 1.03 MHz respectively. Different prototypes of the HIFU device were built and tested, each incorporating the same two families of emitters, but differing in the shape of the rapid prototyping plastic support that accommodates the transducers. Acoustic measurements, MR-ARFI (ex vivo) and MR-thermometry (ex vivo and in vivo) were used for the characterisation of the prototypes. Experimental results demonstrated an augmentation of the steering range by 80 % along one preferentially chosen axis, compared to a classic spherical array of the same total number of elements. Another important advantage of the current approach is the versatility of reshaping the array at low cost.
Développement d'une nouvelle génération de transducteur HIFU IRM-compatible à capacité de déflexion élargie
Soutenue le 12 July 2011
Une nouvelle architecture de transducteur ultrasonore matriciel HIFU a été développée dans le but d’augmenter leur capacité de déflexion électronique sans diminution de la taille des émetteurs élémentaires. La principale application médicale sensée bénéficier de ces développements est la destruction rapide de zones tumorales volumineuses dans les organes mobiles. La méthode proposée consiste à diviser le réseau de transducteurs en de multiples sous-réseaux résonants à des fréquences différentes, et à les réorienter afin que chacun d’eux couvre une zone spatiale différente. Afin d’assurer la compatibilité IRM des transducteurs, une technique de multiplexage spectral passif a été utilisée : celle-ci repose sur le câblage en parallèle de paires d’émetteurs à bande fréquentielle étroite ayant des fréquences de résonance différentes. Deux familles de 64 émetteurs (circulaire, 5 mm de diamètre) ont été fabriquées, avec des rendements maximum respectifs à 0.96 MHz et 1.03 MHz. Différents prototypes ont été fabriqués et testés, chacun d’eux incorporant les émetteurs des deux familles, à l’aide de supports plastiques dédiés obtenus par prototypage rapide. Les prototypes ont été caractérisés à l’aide de différentes méthodes : caractérisation acoustique, ARFI-IRM (ex vivo) et thermométrie-IRM (ex vivo et in vivo). Les résultats expérimentaux ont montré une augmentation de la déflexion électronique allant jusqu’à 80 % le long d’un axe préférentiel, en comparaison avec un transducteur hémisphérique ayant les même nombre total d’éléments. Un autre avantage important de l’approche choisie tient à la possibilité de modifier la forme du transducteur à faible coût.
