Thesis by CAO Elodie
Esophageal ultrasonic probe for cardiac therapy
Defended on 1 february 2022
Ventricular arrhythmias are a major public health issue. Sudden cardiac death is responsible for 200,000 to 350,000 deaths in Europe, each year. Radiofrequency ablation is the gold standard to treat these pathologies. The procedure consists in ablating or isolating electrically arrhythmogenic regions. However, its efficiency is limited. High intensity focused ultrasound is a promising alternative through its ability to create precise thermal lesions deeply, at distance from the transducer, without damaging intervening tissues. Esophageal approach offers a good acoustic window on the heart. Thus, transesophageal ultrasonic probe could create transmural thermal lesions on ventricular walls. A transesophageal 2.6-MHz plane ultrasound probe, composed of 32 therapy rings and two perpendicular bimodal imaging transducers was developed to guide procedures and to treat targeted regions located at a maximum distance of 10 cm. It was characterized acoustically. Then, in vitro experiments on cardiac tissues and ex vivo experiments on isolated perfused porcine hearts were conducted to confirm the probe ability to create lesions. The aim was achieved in vitro but the technical limits and the complex heart model prevent the probe from creating lesions ex vivo. A numerical model to simulate HIFU thermal ablations in mobile and deformable heart was also developed to predict how motion affects HIFU treatment efficiency. Experiments on thermosensitive gels validated the model ability to determine lesion volume in gel. However, experiments conducted on Langendorff hearts demonstrated that there was a difference between numerical and experimental results. Thus, the model is not accurate enough to compute precise temperature measurements in mobile and perfused heart during HIFU treatment, but it can provide relative results on heating variation.
Sonde ultrasonore œsophagienne pour la thérapie cardiaque
Soutenue le 1 February 2022
Les arythmies ventriculaires constituent un enjeu de santé publique majeur. Chaque année, 200.000 à 350.000 européens sont touchés par la mort subite cardiaque. L’ablation par radiofréquence est le traitement de référence de ces pathologies et permet de détruire ou isoler les foyers arythmogènes. Cependant, son efficacité est limitée. Les ultrasons focalisés de haute intensité se sont présentés comme une alternative prometteuse grâce à leur capacité à produire des lésions thermiques précises en profondeur, avec une source émettrice à distance de la cible, sans léser les tissus intermédiaires. L’oesophage offrant une bonne fenêtre acoustique sur le coeur, l’utilisation d’une sonde ultrasonore par cet abord permetrait de créer des lésions thermiques transmurales sur les parois ventriculaires. Une nouvelle sonde oesophagienne ultrasonore plane, fonctionnant à 2,6 MHz, composée de 32 anneaux de thérapie et deux barrettes d’imagerie perpendiculaires bimodales, a donc été conçue afin de guider les procédures et traiter les régions cibles situées à une distance maximale de 10 cm de profondeur. Elle a été caractérisée acoustiquement, et testée in vitro sur des pièces anatomiques de coeur et ex vivo sur des coeurs isolés perfusés Langendorff pour vérifier sa capacité à produire des lésions. La faisabilité a été vérifiée in vitro mais des limites inhérentes au dispositif et au modèle anatomique complexe ont empêché la création de lésions dans le modèle ex vivo. Un modèle numérique de simulation d’ablations thermiques par HIFU sur un coeur mobile et déformé a été développé en parallèle afin de prévoir l’impact du mouvement sur l’efficacité des traitements ultrasonores. Des expérimentations sur des gels thermosensibles ont vérifié la capacité du modèle à déterminer le volume des lésions produites dans un gel. Des essais sur des coeurs Langendorff ont également permis d’évaluer la précision du modèle pour déterminer la variation de température dans un coeur mobile et perfusé durant un traitement ultrasonore. Un écart entre les valeurs numériques et expérimentales est observable, mais le modèle suffit à étudier une variation relative du chauffage.
Defended on 1 february 2022
Ventricular arrhythmias are a major public health issue. Sudden cardiac death is responsible for 200,000 to 350,000 deaths in Europe, each year. Radiofrequency ablation is the gold standard to treat these pathologies. The procedure consists in ablating or isolating electrically arrhythmogenic regions. However, its efficiency is limited. High intensity focused ultrasound is a promising alternative through its ability to create precise thermal lesions deeply, at distance from the transducer, without damaging intervening tissues. Esophageal approach offers a good acoustic window on the heart. Thus, transesophageal ultrasonic probe could create transmural thermal lesions on ventricular walls. A transesophageal 2.6-MHz plane ultrasound probe, composed of 32 therapy rings and two perpendicular bimodal imaging transducers was developed to guide procedures and to treat targeted regions located at a maximum distance of 10 cm. It was characterized acoustically. Then, in vitro experiments on cardiac tissues and ex vivo experiments on isolated perfused porcine hearts were conducted to confirm the probe ability to create lesions. The aim was achieved in vitro but the technical limits and the complex heart model prevent the probe from creating lesions ex vivo. A numerical model to simulate HIFU thermal ablations in mobile and deformable heart was also developed to predict how motion affects HIFU treatment efficiency. Experiments on thermosensitive gels validated the model ability to determine lesion volume in gel. However, experiments conducted on Langendorff hearts demonstrated that there was a difference between numerical and experimental results. Thus, the model is not accurate enough to compute precise temperature measurements in mobile and perfused heart during HIFU treatment, but it can provide relative results on heating variation.
Sonde ultrasonore œsophagienne pour la thérapie cardiaque
Soutenue le 1 February 2022
Les arythmies ventriculaires constituent un enjeu de santé publique majeur. Chaque année, 200.000 à 350.000 européens sont touchés par la mort subite cardiaque. L’ablation par radiofréquence est le traitement de référence de ces pathologies et permet de détruire ou isoler les foyers arythmogènes. Cependant, son efficacité est limitée. Les ultrasons focalisés de haute intensité se sont présentés comme une alternative prometteuse grâce à leur capacité à produire des lésions thermiques précises en profondeur, avec une source émettrice à distance de la cible, sans léser les tissus intermédiaires. L’oesophage offrant une bonne fenêtre acoustique sur le coeur, l’utilisation d’une sonde ultrasonore par cet abord permetrait de créer des lésions thermiques transmurales sur les parois ventriculaires. Une nouvelle sonde oesophagienne ultrasonore plane, fonctionnant à 2,6 MHz, composée de 32 anneaux de thérapie et deux barrettes d’imagerie perpendiculaires bimodales, a donc été conçue afin de guider les procédures et traiter les régions cibles situées à une distance maximale de 10 cm de profondeur. Elle a été caractérisée acoustiquement, et testée in vitro sur des pièces anatomiques de coeur et ex vivo sur des coeurs isolés perfusés Langendorff pour vérifier sa capacité à produire des lésions. La faisabilité a été vérifiée in vitro mais des limites inhérentes au dispositif et au modèle anatomique complexe ont empêché la création de lésions dans le modèle ex vivo. Un modèle numérique de simulation d’ablations thermiques par HIFU sur un coeur mobile et déformé a été développé en parallèle afin de prévoir l’impact du mouvement sur l’efficacité des traitements ultrasonores. Des expérimentations sur des gels thermosensibles ont vérifié la capacité du modèle à déterminer le volume des lésions produites dans un gel. Des essais sur des coeurs Langendorff ont également permis d’évaluer la précision du modèle pour déterminer la variation de température dans un coeur mobile et perfusé durant un traitement ultrasonore. Un écart entre les valeurs numériques et expérimentales est observable, mais le modèle suffit à étudier une variation relative du chauffage.
