Thesis by BARRERE Victor
Thermometry and tissue characterization during High Intensity Focused Ultrasound treatments by ultrasonic methods and passive elastography
Defended on 19 december 2019
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a noninvasive technique allowing generating a temperature increase away from the emitter. This technique is already used in clinic for the treatment of many pathologies such as essential tremors, cancers of the prostate, liver, pancreas, uterine fibroid, glaucoma etc. An imaging modality is required to effectively guide and monitor non-invasive HIFU treatments. Today, magnetic resonance imaging (MRI) and B-mode imaging are the main techniques used in combination with HIFU to guide treatment. MRI is superior to ultrasound for visualizing tissue temperature and necrosis, but this technique is extremely expensive and lacks portability, availability, and present compatibility issues with patients and devices. Ultrasonic imaging has advantages in terms of cost and portability, availability and present good spatial and temporal resolution. Conventional ultrasound imaging shows the spatial amplitude distribution of echoes reflected by acoustic impedance inhomogeneities in the medium and is already widely used to guide and monitor HIFU treatments in commercial devices. However, ultrasound imaging provides limited information on the formation of HIFU coagulation necrosis, and doesn’t allow thermometry. In most cases, hyperechos are visible due to microbubbles generated by acoustic cavitation or boiling. However, these hyperechoic zones do not allow precise contouring of the treated area, and they do not appear during the coagulation. Several methods have been proposed to characterize the thermal changes as a function of other parameters, such as ultrasonic backscatter. Tissue elasticity has also been studied, based on the fact that the tissues become stiffer when they are coagulated. In this thesis, we investigated the changes in backscattered energy by tissue treated by ultrasound due to thermal coagulation without the generation of microbubbles between 37°C and 80°C. The measurements, particularly focused on the energy of the backscattered signal, have been performed for the monitoring of treatments between 1 and 2.9 MHz. Quantitative ultrasounds methods have been performed to reveal information on the microstructure of tissues, in order to explain the phenomena inducing the changes in the backscattered signals during a HIFU heating. A chapter focuses on the monitoring of ultrasonic interventions by passive elastography. Finally, the characterization devices and techniques used in these works were used to characterize liver tissue derived from standard hepatectomies and containing primary and secondary tumors in terms of attenuation. The impact of the different attenuations between the two types of tumor tissue was evaluated by numerical simulations of HIFU treatments. The results led to conclusions about the need for different treatments for primary and secondary cancers in the liver.
Thermométrie Ultrasonore et caractérisation tissulaire durant les traitements par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité par méthodes ultrasonores et élastographie passive
Soutenue le 19 December 2019
Les Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) sont une technique non invasive permettant de générer une augmentation de température à distance de l’émetteur ultrasonore. Cette technique est déjà largement utilisée en clinique dans le traitement de nombreuses pathologies, parmi lesquelles on peut compter les tremblements essentiels, les cancers de la prostate, du foie, du pancréas, le fibrome utérin, le glaucome etc. Une modalité d’imagerie est nécessaire pour guider et surveiller efficacement les traitements non invasifs par HIFU. Aujourd'hui, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'imagerie par ultrasons sont les deux techniques utilisées en combinaison avec les HIFU pour guider le traitement. L'IRM est supérieure à l'échographie pour visualiser la température des tissus et la nécrose, mais cette technique est extrêmement coûteuse et manque de portabilité, de disponibilité, et présente des problématiques de compatibilité avec les patients et les dispositifs. L'imagerie par ultrasons présente quant à elle des avantages en termes de coût et de portabilité, de disponibilité et présente par ailleurs une bonne résolution spatiale et temporelle. L'imagerie conventionnelle échographique montre la distribution spatiale en amplitude des échos réfléchis par les inhomogénéités d'impédance acoustique dans le milieu et est déjà largement utilisée pour guider et monitorer les traitements HIFU. Cependant, l'imagerie échographique fournit des informations limitées sur la formation d'une nécrose de la coagulation due aux HIFU. Dans la plupart des cas, les hyperéchos sont visibles en raison des microbulles générées par cavitation acoustique ou par ébullition. Or ces zones hyperéchogènes ne permettent pas de contourer de manière précise la zone traitée, et elles n’apparaissent pas durant la phase de coagulation des tissus. Plusieurs méthodes ont été proposées pour caractériser le changement thermique en fonction d'autres paramètres, tels que la rétrodiffusion par ultrasons. L'une des méthodes les plus anciennes est l'estimation de la température à partir du décalage d'écho dû au changement de vitesse du son induit thermiquement, mais limité à une température pouvant atteindre 50 à 55 ° C. Des techniques d'estimation de l'élasticité des tissus ont également été étudiées, basées sur le fait que les tissus deviennent plus rigides lorsqu'ils sont coagulés. Dans cette thèse, nous avons étudié les changements de l'énergie rétrodiffusée par les tissus traités par ultrasons due à la coagulation thermique sans génération de microbulles de 37°C à 80°C. Les mesures, particulièrement centrées sur l’énergie du signal rétrodiffusé, ont été réalisées de manière qualitative pour le monitoring des traitements et de manière quantitatives grâce à des méthodes dîtes d’ultrasons quantitatifs capables de révéler des informations sur la microstructure des tissus, en vue d’expliquer les phénomènes induisant les changements dans les signaux rétrodiffusés au fil d’un chauffage HIFU. Un chapitre s’attarde sur le monitoring des interventions ultrasonores par élastographie passive. Enfin, les techniques de caractérisations mises en œuvres dans le cadre de ces travaux ont permis de réaliser des mesures d’atténuation dans des pièces de tissu hépatique issus d’hépatectomies standard, et contenant des tumeurs primaires et secondaires. L’impact des différences atténuations entre les deux types de tissus tumoraux a été évalué par simulations numériques de traitements HIFU. Les résultats ont permis d’aboutir à des conclusions quant à la nécessité de réaliser des traitements différents pour les cancers primaires et secondaires dans le foie.
Defended on 19 december 2019
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a noninvasive technique allowing generating a temperature increase away from the emitter. This technique is already used in clinic for the treatment of many pathologies such as essential tremors, cancers of the prostate, liver, pancreas, uterine fibroid, glaucoma etc. An imaging modality is required to effectively guide and monitor non-invasive HIFU treatments. Today, magnetic resonance imaging (MRI) and B-mode imaging are the main techniques used in combination with HIFU to guide treatment. MRI is superior to ultrasound for visualizing tissue temperature and necrosis, but this technique is extremely expensive and lacks portability, availability, and present compatibility issues with patients and devices. Ultrasonic imaging has advantages in terms of cost and portability, availability and present good spatial and temporal resolution. Conventional ultrasound imaging shows the spatial amplitude distribution of echoes reflected by acoustic impedance inhomogeneities in the medium and is already widely used to guide and monitor HIFU treatments in commercial devices. However, ultrasound imaging provides limited information on the formation of HIFU coagulation necrosis, and doesn’t allow thermometry. In most cases, hyperechos are visible due to microbubbles generated by acoustic cavitation or boiling. However, these hyperechoic zones do not allow precise contouring of the treated area, and they do not appear during the coagulation. Several methods have been proposed to characterize the thermal changes as a function of other parameters, such as ultrasonic backscatter. Tissue elasticity has also been studied, based on the fact that the tissues become stiffer when they are coagulated. In this thesis, we investigated the changes in backscattered energy by tissue treated by ultrasound due to thermal coagulation without the generation of microbubbles between 37°C and 80°C. The measurements, particularly focused on the energy of the backscattered signal, have been performed for the monitoring of treatments between 1 and 2.9 MHz. Quantitative ultrasounds methods have been performed to reveal information on the microstructure of tissues, in order to explain the phenomena inducing the changes in the backscattered signals during a HIFU heating. A chapter focuses on the monitoring of ultrasonic interventions by passive elastography. Finally, the characterization devices and techniques used in these works were used to characterize liver tissue derived from standard hepatectomies and containing primary and secondary tumors in terms of attenuation. The impact of the different attenuations between the two types of tumor tissue was evaluated by numerical simulations of HIFU treatments. The results led to conclusions about the need for different treatments for primary and secondary cancers in the liver.
Thermométrie Ultrasonore et caractérisation tissulaire durant les traitements par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité par méthodes ultrasonores et élastographie passive
Soutenue le 19 December 2019
Les Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) sont une technique non invasive permettant de générer une augmentation de température à distance de l’émetteur ultrasonore. Cette technique est déjà largement utilisée en clinique dans le traitement de nombreuses pathologies, parmi lesquelles on peut compter les tremblements essentiels, les cancers de la prostate, du foie, du pancréas, le fibrome utérin, le glaucome etc. Une modalité d’imagerie est nécessaire pour guider et surveiller efficacement les traitements non invasifs par HIFU. Aujourd'hui, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'imagerie par ultrasons sont les deux techniques utilisées en combinaison avec les HIFU pour guider le traitement. L'IRM est supérieure à l'échographie pour visualiser la température des tissus et la nécrose, mais cette technique est extrêmement coûteuse et manque de portabilité, de disponibilité, et présente des problématiques de compatibilité avec les patients et les dispositifs. L'imagerie par ultrasons présente quant à elle des avantages en termes de coût et de portabilité, de disponibilité et présente par ailleurs une bonne résolution spatiale et temporelle. L'imagerie conventionnelle échographique montre la distribution spatiale en amplitude des échos réfléchis par les inhomogénéités d'impédance acoustique dans le milieu et est déjà largement utilisée pour guider et monitorer les traitements HIFU. Cependant, l'imagerie échographique fournit des informations limitées sur la formation d'une nécrose de la coagulation due aux HIFU. Dans la plupart des cas, les hyperéchos sont visibles en raison des microbulles générées par cavitation acoustique ou par ébullition. Or ces zones hyperéchogènes ne permettent pas de contourer de manière précise la zone traitée, et elles n’apparaissent pas durant la phase de coagulation des tissus. Plusieurs méthodes ont été proposées pour caractériser le changement thermique en fonction d'autres paramètres, tels que la rétrodiffusion par ultrasons. L'une des méthodes les plus anciennes est l'estimation de la température à partir du décalage d'écho dû au changement de vitesse du son induit thermiquement, mais limité à une température pouvant atteindre 50 à 55 ° C. Des techniques d'estimation de l'élasticité des tissus ont également été étudiées, basées sur le fait que les tissus deviennent plus rigides lorsqu'ils sont coagulés. Dans cette thèse, nous avons étudié les changements de l'énergie rétrodiffusée par les tissus traités par ultrasons due à la coagulation thermique sans génération de microbulles de 37°C à 80°C. Les mesures, particulièrement centrées sur l’énergie du signal rétrodiffusé, ont été réalisées de manière qualitative pour le monitoring des traitements et de manière quantitatives grâce à des méthodes dîtes d’ultrasons quantitatifs capables de révéler des informations sur la microstructure des tissus, en vue d’expliquer les phénomènes induisant les changements dans les signaux rétrodiffusés au fil d’un chauffage HIFU. Un chapitre s’attarde sur le monitoring des interventions ultrasonores par élastographie passive. Enfin, les techniques de caractérisations mises en œuvres dans le cadre de ces travaux ont permis de réaliser des mesures d’atténuation dans des pièces de tissu hépatique issus d’hépatectomies standard, et contenant des tumeurs primaires et secondaires. L’impact des différences atténuations entre les deux types de tissus tumoraux a été évalué par simulations numériques de traitements HIFU. Les résultats ont permis d’aboutir à des conclusions quant à la nécessité de réaliser des traitements différents pour les cancers primaires et secondaires dans le foie.
