Thesis by SANCHEZ Marine
Development of an extracorporeal torus-shaped transducer and a novel multi-toroidal focalization strategy for the treatment of mammary adenocarcinomas by high intensity focused ultrasound.
Defended on 4 december 2020
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a technique commonly used in the medical field for the treatment of solid tumors. This therapeutic strategy allows for the localized destruction of biological tissue by temperature elevation. This manuscript describes the design and utilization of a therapeutic system and a novel, patented focalization technique for non-invasive treatment of mammary adenocarcinomas. In a first instance, an existing device that has been previously used for intraoperative treatment of hepatic metastases, and one that is currently undergoing clinical trials, was used. An ex vivo study on human mammary samples demonstrated the possibility of applying pressures on deep tissue layers in a non-invasive manner. Based on this study, the development of a new focalization modality was developed to provide larger treated volumes while yielding treatment times under a minute and eliminating the need for mechanical steering of the device. This new modality provided treated volumes 30% larger than those produced by the existing device with no changes to treatment time. Given the limitations of the existing device, in addition to the need of integrating the new focalization strategy, a new device was designed and specifically fabricated to meet the demands for treating mammary adenocarcinomas. The natural focalization of this novel transducer allows for depositing pressure deep in tissue. When the new focalization modality is used, a larger pressure field produces increased treated volumes. The performance provided by the novel probe was first characterized through modeling studies. These results were then validated through preliminary in vitro studies on hepatic tissues as well as in ex vivo studies on human mammary tissue samples. This work represents the first stage of development of a HIFU treatment for mammary adenocarcinomas using a novel, non-invasive and image-guided HIFU device that can be used manually.
Développement d’un transducteur torique extracorporel et du principe de focalisation multi-torique en vue du traitement des adénocarcinomes mammaires par ultrasons focalisés de haute intensité.
Soutenue le 4 December 2020
Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) sont reconnus et couramment utilisés dans le domaine médical pour le traitement des tumeurs solides. Cette technique permet une destruction localisée des tissus biologique par élévation de la température. Ce manuscrit décrit la conception et l’utilisation d’un système thérapeutique et d’une nouvelle solution de focalisation brevetée, ayant pour objectif principal le traitement non invasif des adénocarcinomes mammaires. Dans un premier temps, un dispositif existant, destiné au traitement surfacique des métastases hépatiques et en cours d’évaluation clinique, a été utilisé. Une étude ex vivo sur échantillons humains de tissu mammaire a permis de montrer la possibilité de déposer de la pression en profondeur de façon non invasive. Basé sur cette étude le développement d’une nouvelle modalité de focalisation a été entrepris dans le but d’élargir le volume traité sans impliquer des temps de traitement supérieur à la minute et des déplacements mécaniques du dispositif. Cette modalité a permis d’augmenter de 30 % le volume traité par le dispositif existant sans augmenter le temps de traitement. Compte tenu des limites du dispositif existant et de la nouvelle solution à intégrer, un nouveau dispositif a été conçu et fabriqué dans le but de répondre aux besoins des traitements des adénocarcinomes mammaires. La focalisation naturelle de ce transducteur permet de déposer de la pression en profondeur. Si la nouvelle modalité de focalisation électronique est utilisée, un champ de pression élargit permet d’augmenter le volume de traitement. Les performances de cette sonde de traitement ont été évaluées numériquement puis validées lors d’expérimentations préliminaires in vitro sur des tissus hépatiques et lors d’une étude ex vivo sur des échantillons humains de tissu mammaire. Ces travaux représentent la première étape de l’élaboration d’un traitement HIFU pour traiter les adénocarcinomes mammaires avec un dispositif HIFU non-invasif, guidé par échographie et utilisable manuellement.
Defended on 4 december 2020
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a technique commonly used in the medical field for the treatment of solid tumors. This therapeutic strategy allows for the localized destruction of biological tissue by temperature elevation. This manuscript describes the design and utilization of a therapeutic system and a novel, patented focalization technique for non-invasive treatment of mammary adenocarcinomas. In a first instance, an existing device that has been previously used for intraoperative treatment of hepatic metastases, and one that is currently undergoing clinical trials, was used. An ex vivo study on human mammary samples demonstrated the possibility of applying pressures on deep tissue layers in a non-invasive manner. Based on this study, the development of a new focalization modality was developed to provide larger treated volumes while yielding treatment times under a minute and eliminating the need for mechanical steering of the device. This new modality provided treated volumes 30% larger than those produced by the existing device with no changes to treatment time. Given the limitations of the existing device, in addition to the need of integrating the new focalization strategy, a new device was designed and specifically fabricated to meet the demands for treating mammary adenocarcinomas. The natural focalization of this novel transducer allows for depositing pressure deep in tissue. When the new focalization modality is used, a larger pressure field produces increased treated volumes. The performance provided by the novel probe was first characterized through modeling studies. These results were then validated through preliminary in vitro studies on hepatic tissues as well as in ex vivo studies on human mammary tissue samples. This work represents the first stage of development of a HIFU treatment for mammary adenocarcinomas using a novel, non-invasive and image-guided HIFU device that can be used manually.
Développement d’un transducteur torique extracorporel et du principe de focalisation multi-torique en vue du traitement des adénocarcinomes mammaires par ultrasons focalisés de haute intensité.
Soutenue le 4 December 2020
Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) sont reconnus et couramment utilisés dans le domaine médical pour le traitement des tumeurs solides. Cette technique permet une destruction localisée des tissus biologique par élévation de la température. Ce manuscrit décrit la conception et l’utilisation d’un système thérapeutique et d’une nouvelle solution de focalisation brevetée, ayant pour objectif principal le traitement non invasif des adénocarcinomes mammaires. Dans un premier temps, un dispositif existant, destiné au traitement surfacique des métastases hépatiques et en cours d’évaluation clinique, a été utilisé. Une étude ex vivo sur échantillons humains de tissu mammaire a permis de montrer la possibilité de déposer de la pression en profondeur de façon non invasive. Basé sur cette étude le développement d’une nouvelle modalité de focalisation a été entrepris dans le but d’élargir le volume traité sans impliquer des temps de traitement supérieur à la minute et des déplacements mécaniques du dispositif. Cette modalité a permis d’augmenter de 30 % le volume traité par le dispositif existant sans augmenter le temps de traitement. Compte tenu des limites du dispositif existant et de la nouvelle solution à intégrer, un nouveau dispositif a été conçu et fabriqué dans le but de répondre aux besoins des traitements des adénocarcinomes mammaires. La focalisation naturelle de ce transducteur permet de déposer de la pression en profondeur. Si la nouvelle modalité de focalisation électronique est utilisée, un champ de pression élargit permet d’augmenter le volume de traitement. Les performances de cette sonde de traitement ont été évaluées numériquement puis validées lors d’expérimentations préliminaires in vitro sur des tissus hépatiques et lors d’une étude ex vivo sur des échantillons humains de tissu mammaire. Ces travaux représentent la première étape de l’élaboration d’un traitement HIFU pour traiter les adénocarcinomes mammaires avec un dispositif HIFU non-invasif, guidé par échographie et utilisable manuellement.
