Thesis defense: Focused interstitial ultrasound for conformal therapy of hepatocellular carcinoma

Author: Thomas Biscaldi
Time: 14H30
Language: French
Place: Conference Room at LabTAU

Abstract: Hepatocellular carcinoma is a primary tumor of the liver and is estimated to be the fourth leading cause of cancer-related death worldwide. Its incidence has been rising steadily in recent years. The gold standard of treatment is single- or multi-needle interstitial ablation, which aims to destroy the tumor locally. These strategies are proving effective, but have certain shortcomings. Interstitial treatments are not conformal: the shape of the ablation does not adapt to that of the tumor. This is problematic, and can lead to recurrence or serious complications for the patient. Ultrasound technologies could provide a solution in this field, by offering targeted therapies guided byin situ imaging, thus offering a novel modality for the practitioner.

Simulations of a new ultrasonic catheter were carried out to design specifications and verify the feasibility of the project in terms of focusing and ablation. A bimodal ultrasonic catheter with a diameter of 3 mm and 64 piezoelectric elements operating at 5.5 MHz was sub-processed accordingly. First, ultrasound imaging capabilities were assessed and confirmed. The prototype was then characterized electronically and acoustically. The thermal performance of the catheter was studied in three dimensions under MR thermometry, validating the simulation tools and demonstrating the directional aspect of induced heating. These results led to the performance of in vitro tests on animal liver. Centimeter radial ablations confirmed, for the first time, the catheter's ability to perform thermal ablations. The prototype's robustness over the full range of tests was also studied. Finally, the re-installation of an ultrasound navigation platform led to the reconstruction of tumor volumes in 3 dimensions. Combining the catheter with this robotized platform enabled the generation of 3-D volumetric thermal ablations, and the treatment of volumes compatible with primary tumors encountered in clinical practice.

Titre : Ultrasons focalisés interstitiels guidés par la navigation échographique pour les thérapies conformationnelles du carcinome hépatocellulaire
Résumé : Le carcinome hépatocellulaire est une tumeur primaire du foie et est estimé comme étant la quatrième cause de décès liés au cancer dans le monde. Son incidence demeure en constante augmentation ces dernières années. Les traitements de référence sont les ablations interstitielles mono- ou multi- aiguille(s) qui visent à détruire localement la tumeur. Ces stratégies s'avèrent efficaces mais présentent certains défauts. En effet, les traitements interstitiels ne sont pas conformationnels : la forme de l'ablation ne s'adapte pas à celle de la tumeur. Ce phénomène s'avère problématique et peut mener à des récidives ou des complications graves pour le patient. Les technologies ultrasonores pourraient apporter une solution dans ce domaine en proposant des thérapies ciblées guidées par une imagerie in situ offrant ainsi une modalité inédite pour le praticien.

Des simulations d'un nouveau cathéter ultrasonore ont été réalisées pour concevoir un cahier des charges et vérifier la faisabilité du projet en termes de focalisation et d'ablation. Un cathéter ultrasonore bimodal de 3 mm de diamètre et de 64 éléments piézoélectriques fonctionnant à 5,5 MHz a été sous traité en conséquence. Tout d'abord, les capacités d'imagerie échographique ont été évaluées et confirmées. Le prototype a ensuite été caractérisé électroniquement et acoustiquement. Les performances thermiques du cathéter ont été étudiées en trois dimensions sous thermométrie IRM et ont validé les outils de simulation tout en démontrant l'aspect directionnel des échauffements induits. Ces résultats ont conduit à réaliser des essais in vitro sur foie animal. Des ablations radiales centimétriques ont confirmé, pour la première fois, les capacités du cathéter à effectuer des ablations thermiques. La robustesse du prototype sur l'ensemble des essais a été étudiée. Enfin, la remise en place d'une plateforme de navigation échographique a donné lieu à la reconstruction de volumes tumoraux en 3 dimensions. L'association du cathéter avec cette plateforme robotisée a permis de générer des ablations thermiques volumiques en 3 dimensions et de traiter des volumes compatibles avec les tumeurs primaires rencontrées en pratique clinique.