CA2086772A1 - Appareil d'hyperthermie ultrasonore extracorporelle a tres grande puissance et son procede de fonctionnement - Google Patents

Abstract

DE DIVULGATION Appareil d'hyperthermie extracorporelle mettant en oeuvre, pour provoquer l'échauffement localisé d'une cible biologique, un faisceau d'ondes élastiques focalisé, de très grande puissance, émis par trains d'ondes de très courte durée. Celle-ci est au plus égale à celle qui permet une destruction de la cible pendant la partie quasi-linéaire de la courbe d'élévation de température en fonction du temps.

Description

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L'invention concerne des perfectionnements à l'appareil décrit dans le brevet français No 90 09717 déposé le 23 juillet 1990, pour : "Appareil d'hyperthermie ultrasonore extracorporelle ultrarapide".

L'appareil selon ledit brevet met en oeuvre, pour provoquer un échauffement localisé d'une cible biologique, un faisceau d'ondes élastiques focalise émis sous la forme de trains d'ondes de fréquence de durée et de puissance prédéterminées, et est essentiellement caractérise en ce que les paramètres qui définissent la concentration globale du faisceau dans la tache focale et la puissance sont déterminés, en fonction de la profondeur de la cible, pour que la durée de chaque train soit au plus égale à celle qui permet une destruction notable, et de préférence totale, de la cible pendant la par-tie quasi-linéaire de la courbe d'elévation de température de celle-ci en fonction du temps~

Dans les modes d'exécution décrits dans le brevet susvisé, il a été précisé que les puissances électriques de crete utili-sées étaient comprises, suivant la profondeur de la cible, entre 10 Kw et quelques centaines de watts, que la destruc-tion de la cible s'effectuait à une température voisine de 58C en un temps compris entre 0,5 et 3 sec., et que les trains d'ondes successivement appliqués à une meme cible, dans le cas ou plusieurs trains d'ondes étaient nécessaires à

20~6772 sa destruction, devaient être séparés par des intervalles de temps de l'ordre de 1,5 à 3 sec.

Les travaux ultérieurs de la Demanderesse ont permis de découvrir qu'il est avantageux, dans le traitement des cibles relativement profondes, de mettre en oeuvre des puissances électriques pouvant atteindre au moins une vingtaine de Kw, des durées de trains d'ondes pouvant descendre ~usqu'à des valeurs de l'ordre de quelques centaines de seconde à
quelques dixièmes de seconde et des températures de la cible pouvant monter jusqu'à 100C. Il est par ailleurs avantageux que les intervalles de temps qui séparent les trains d'ondes successivement appliqués à une même cible soient de l'ordre de dix fois la durée desdits trains.

Ils ont permis en outre de définir de manière précise un pro-cédé de détermination des paramètres caractéristiques du fonctionnement optimum de l'appareil en fonction de la pro-fondeur de la cible.

Suivant l'invention, un tel procédé est caracterise par les opérations successives suivantes :

1) Choix d'une fréquence de travail, effectué à partir de tableaux numériques établis par le calcul, à partir de données relatives à la propagation des ultrasons dans les . .
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tissus biologiques et qui donnent, pour une puissance acoustique de crête prédéterminée, par exemple égale à
1 Kw et pour les différentes valeurs de la distance focale du transducteur de l'appareil (supposé en contact avec la peau), les valeurs du facteur de concentration globale k = ka x kg du faisceau dans la tache focale, ka étant le facteur d'atténuation des ultrasons sur leur trajet entre la surface émettrice du transducteur et le foyer, et kg, le facteur de concentration géométrique, égal au rapport des diametres respectifs de ladite sur-face émettrice et de la tache focale, ce choix s'effectuant en prenant le tableau correspondant à la valeur de la distance focale la plus voisine de la pro-fondeur de la cible et en relevant la fréquence pour laquelle le facteur k est maximum.

2) Détermination du temps de tir maximum en relevant expéri-mentalement, pour une valeur donnée du diamètre de la tache focale et pour une cible de nature et de profondeur données, la courbe de montée en température de la cible et en choisissant un temps de tir au plus égal ou, de préférence, sensiblement inférieur à celui qui est défini par le point d'inflexion de ladite courbe.

3) Détermination de la puissance d'émission minimale à par-tir, d'une part, de la vitesse de montée en température 208~772 donnée par les tableaux numériques susvisés pour ladite puissance prédéterminée, d'autre part, de graphiques, fournis par la littérature médicale, qui indiquent le temps nécessaire à la destruction de cellules vivantes en fonction de la température de traitement, ladite détermi-nation étant faite en admettant que, pour un fonctionne-ment dans la partie quasi-linéaire de la courbe de montée en température, la vitesse d'échauffement est proportion-nelle à la puissance.
D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaltront clairement à la lumière de la des-cription ci-après.

Au dessin annexé :

Les figures la et lb sont des tableaux représenta-tifs de la concentration globale k et de la vitesse d'échauffement dT/sec. en fonction de la fréquence F, pour des caractéristiques données du transduc-teur ;

La figure 2 représente des courbes d'élévation de la température d'un tissu biologique en fonction du temps de traitement ; et ' 2~677~

La figure 3 est un graphique représentatif du temps de destruction d'un tissu biologique en fonction de la température à laquelle il est porté.

Dans le tableau de la figure la, qui correspond à une dis-tance focale de 10 cm, la valeur de k a été établie, pour un transducteur ayant la forme d'une coupelle sphérique de dia-mètre donné et un diametre de la tache focale également donné, d'où une valeur connue de kg, en calculant le facteur d'atténuation ka, à partir de données expérimentales connues selon lesquelles l'atténuation des ultrasons dans un tissu biologique autre qu'un os ou un tissu contenant de l'air, est de l'ordre de 1 dB par MHz et par cm de trajet dans le tissu.

En ce qui concerne le calcul de la vitesse d'échauffement, elle a été calculée, pour un volume donné de la tache focale, en admettant que les pertes d'énergie dans les tissus dues à
l'absorption correspondant à 1 % de la puissance transmise, le reste des pertes (9 ~ de la puissance transmise) étant dû
aux réflexions multiples sur les surfaces cellulaires. On détermine ainsi la quantité d'énergie absorbée qui est convertie en chaleur et contribue à l'échauffement des tis-sus. En réalité, les pertes par absorption, telles que les indique la littérature, sont en général, comprises entre 2 et 3 % de la puissance transmise, si bien que la vitesse d'échauffement ainsi calculée est probablement inférieure à

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la réalité, la valeur de 1 % ayant été choisie par mesure de sécurité.

Des tableaux similaires ont été calculés pour différentes valeurs de la distance focale, allant par exemple jusqu'à
1,5 cm (figure lb).

La figure lb correspond à une puissance acoustique émise de 1 Kw et à un diamètre d'entrée de 1,5 cm.

Ces tableaux permettent au constructeur de l'appareil, pour une valeur donnée de la puissance, de déterminer la fréquence optimale de travail, c'est-à-dire celle qui correspond à la fois à la concentration globale maximum de l'énergie au niveau de la tache focale (donc à la diffusion thermique la plus faible en dehors de la cible) et à l'échauffement le -plus rapide. Celui de la figure la montre que, pour une dis-tance focale de 10 cm, la fréquence optimale est 1 MHz, tan-dis que celui de la figure lb montre que, pour une distance 20 focale de 1,5 cm, la fréquence optimale est 6 MHz. ~:

La validité de cette détermination repose en fait sur l'hypothèse que la diffusion thermique et le refroidissement du à la circulation sanguine, paramètres qui n'ont pas été

pris en considération dans les calculs ci-dessus, sont négli-geables.

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En réalité, ces phénomènes peuvent devenir très importants quand le volume de la source calorifique est faible, ce qui est le cas pour une tache focale ayant le diamètre indiqué.

Cependant, tant que la courbe de montée en température de la cible - relevée expérimentalement : figure 2 - reste linéaire ou quasi-linéaire, cela signifie que la quasi totalité de l'énergie absorbée par la cible est consacrée à son échauffe-ment, donc que les pertes susvisées sont négligeables devantl'apport en calories, si bien que les valeurs numériques de la vitesse d'échauffement figurant au tableau sont valables.

A la figure 2, les deux courbes I et II correspondent à des puissances émises différentes : on voit que la valeur to de la durée de tir qui correspond au point d'inflexion reste la même, mais correspond à des températures differentes, respec-tivement Tol et To2-Les deux courbes atteignent un palier (correspondant àl'egalité des pertes et de l'apport en calories) au bout d'un temps identique environ égal à 5 to, le palier correspond à
une température d'environ 3 Tol pour la courbe I ; 2,6 To2 pour la courbe II.

20~S772 La Demanderesse a établi de telles courbes pour differentes valeurs de la fréquence de travail et du diamètre de la tache focale correspondant aux valeurs optimales déterminées au moyen des tableaux numériques, en fonction de la profondeur de la cible. Les valeurs correspondantes de to sont ainsi connues.

En s'imposant des temps de tir inférieurs à to, le construc-teur sera certain de limiter au maximum les dommages causés aux tissus voisins de la cible sous l'effet de la diffusion thermique.

Il en résulte également que l'apport d'énergie calorifique nécessaire pour détruire la cible sera substantiellement réduit (bien que la puissance instantanée appliquée sera plus grande que si l'on utilise un temps de tir plus grand, comme on l'expliquera ci-après).

A partir du graphique de la figure 3, il est possible, pour une valeur donnée des temps de tir, de déterminer la puis-sance nécessaire pour détruire les cellules, comme on va maintenant l'expliquer en se référant à un exemple.

A titre d'exemple, pour réaliser un appareil destiné à trai-ter des cibles de profondeur comprise entre 7 et 10 cm (distances à la peau), on déterminera la fréquence optimale .
:, :

2081~ 2 pour la profondeur la plus grande et, par conséquent, on consultera le tableau de la figure 1 qui correspond a l'emploi, avec une puissance acoustique émise de 1 Kw, d'un transducteur à coupelle sphérique ayant une distance focale de 10 cm, un angle d'ouverture de 60 et un diamètre d'entrée dans le corps du patient de 10 cm. On voit que la concentra-tion globale k est maximale pour une fréquence F de 1 MHz, et que la vitesse d'échauffement est de 33,97C par seconde.

A cette fréquence, et pour l'angle d'ouverture de 60 consi-déré, le diamètre de la tache focale sera de l'ordre de 1,5 mm. Des courbes du type de celles de la figure 2 et cor-respondant à ce diamètre et à cette fréquence, montrent alors que le temps to correspondant au point d'inflexion (montée quasi-linéaire en température) est égal à 0,5 sec. environ.
Les tissus ne seront détruits en 0,5 sec. que si la tempéra-ture correspondante a été atteinte en un temps sensiblement plus court, que l'on fixera, par mesure de sécurité, à la valeur moitié de to, soit 0,25 sec.

En consultant le graphique de la figure 3, on voit qu'un tissu biologique est détruit en 0,25 sec. pour une tempéra-ture de 70C, ce qui correspond à une élévation de tempéra-ture de 35C environ en 0,25 sec., soit une vitesse d'échauffement de 140C par sec. Comme le tableau de la figure l indique une vitesse d'échauffement d'environ 34C

par sec. pour une puissance acoustique d'émission de 1 Kw, on est conduit, en remarquant que la vitesse d'échauffement est sensiblement proportionnelle à la puissance dans la région quasi-linéaire de la courbe de montée en température de la cible, à choisir une puissance acoustique de 4 Kw environ.

Connaissant le rendement du transducteur, et en tenant compte des pertes de transmission, on détermine approximativement la puissance électrique minimum nécessaire pour éviter la diffu-sion thermique. Elle sera, à titre d'exemple, de l'ordre de20 Kw.

Il pourra être avantageux d'utiliser des puissances plus éle-vées, qui conduisent à des temps de tir plus courts, pour détruire la cible. Plus la puissance est élevée, plus il y aura génération progressive d'harmoniques de la fréquence F
en cours de propagation. L'expérimentation a montré qu'il en résulte un effet de réduction du risque de brûlure de la peau.

Pour éviter une trop grande densité de puissance sur les transducteurs piézoélectriques élémentaires qui composent le transducteur de traitement, on construira une coupelle ayant par exemple 300 mm de diambtre et, pour un angle d'ouverture de 60D, 300 mm de distance focale.

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Ce choix de la distance focale réalise un compromis entre la nécessité d'avoir un angle d'ouverture aussi grand que pos-sible pour concentrer l'énergie au foyer et une surface d'entrée aussi faible que possible pour éviter que le fais-ceau de traitement ne rencontre sur son trajet des obstacles à la propagation (os, poches d'air).

En pratique, si la distance focale de l'appareil n'est pas réglable, la tête de traitement sera déplacée par rapport à
la peau, en fonction de la profondeur de la cible, d'une dis-tance variable telle que son foyer coincide avec la cible.

Un tel résultat peut aussi etre obtenu avec une tête fixe à
focalisation réglable par voie électronique, par lentille ou tout autre procédé.

Compte tenu du fait que l'atténuation des ultrasons dans l'eau est négligeable, les tableaux numériques susvisés res-tent valables.

L'appareil sera agencé pour que la durée des trains d'ondes acoustiques qu'il émet soit réglable entre 0,01 sec. et 1 sec. par exemple, ce qui permettra au médecin de choisir la durée de traitement optimale pour chaque cible, celle-ci étant par exemple relevée sur un abaque qui fournit cette durée en fonction de la profondeur de la cible.

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L'appareil défini dans l'exemple ci-dessus pourra, a for-tiori, détruire sans diffusion thermique, toutes les cibles situées à moins de 10 cm de la peau.

Cependant, il sera préferable de construire un appareil dif-férent pour les cibles très rapprochées. Celui-ci travaillera par exemple à une fréquence de 6 MHz (figure lb) et avec des puissances de l'ordre du kilowatt.

Claims (6)

1. Appareil d'hyperthermie extracorporelle mettant en oeuvre, pour provoquer l'échauffement localisé d'une cible biologique, un faisceau d'ondes élastiques focalisé émis sous la forme de trains d'ondes de fréquence, de durée et de puis-sance prédéterminées, caractérisé en ce que les paramètres qui définissent la concentration globale du faisceau dans la tache focale et la puissance sont déterminés, en fonction de la profondeur de la cible, au moyen des opérations successives suivantes :

1°) Choix d'une fréquence de travail, effectué à partir de tableaux numériques établis par le calcul à partir de données relatives à la propagation des ultrasons dans les tissus biologiques et qui donnent, pour une puissance acoustique de crête prédéterminée, par exemple égale à
1 Kw et pour les différentes valeurs de la distance focale du transducteur de l'appareil (supposé en contact avec la peau), les valeurs du facteur de concentration globale k = ka x kg du faisceau dans la tache focale, ka étant le facteur d'atténuation des ultrasons sur leur trajet entre la surface émettrice du transducteur et le foyer, et kg, le facteur de concentration géométrique, égal au rapport des diamètres respectifs de ladite sur-face émettrice et de la tache focale, ce choix s'effectuant en prenant le tableau correspondant à la valeur de la distance focale la plus voisine de la pro-fondeur de la cible et en relevant la fréquence pour laquelle le facteur k est maximum.

2°) Détermination du temps de tir maximum en relevant expéri-mentalement, pour une valeur donnée du diamètre de la tache focale et pour une cible de nature et de profondeur données, la courbe de montée en température de la cible et en choisissant un temps de tir au plus égal ou, de préférence, sensiblement inférieur à celui qui est défini par le point d'inflexion de ladite courbe.

3°) Détermination de la puissance d'émission minimale à par-tir, d'une part, de la vitesse de montée en température donnée par les tableaux numériques susvisés pour ladite puissance prédéterminée, d'autre part, de graphiques, fournis par la littérature médicale, qui indiquent le temps nécessaire à la destruction de cellules vivantes en fonction de la température de traitement, ladite détermi-nation étant faite en admettant que, pour un fonctionne-ment dans la partie quasi-linéaire de la courbe de montée en température, la vitesse d'échauffement est proportion-nelle à la puissance.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise une puissance électrique de crête de l'ordre de 20 Kw à une fréquence de l'ordre de 1 MHz.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée des trains d'ondes est réglable entre 0,01 sec. et 1 sec.

4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ondes focalisées sont émises par une coupelle sphérique ayant un diamètre de 300 mm, une dis-tance focale de 300 mm, une tache focale de 1,5 mm de dia-mètre et un angle d'ouverture de 60°.

5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de tir est choisi à une valeur sensiblement moitié de celle qui est définie par ledit point d'inflexion.

6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par un intervalle de temps d'application de trains d'ondes successifs a une même cible au moins égale à
10 fois la durée de chaque train.