Thérapies par ultrasons

Chirurgie non invasive du cerveau par ultrasons focalisés

Au cours des huit dernières années, nous avons démontré la faisabilité puis développé un appareil de « chirurgie » ultrasonore extracorporel capable d’induire à distance des nécroses thermiques. Le but est de détruire sans trépanation les tumeurs du cerveau et en particulier celles pour lesquelles la chirurgie classique est souvent délicate. Le projet aboutit actuellement avec la réalisation d’un premier prototype pour les applications cliniques.

Fig. 1. Système de Thérapie ultrasonore du cerveau [Financement ANR TUCCIRM 2007-2009]

Son fonctionnement repose sur l’utilisation d’une onde ultrasonore focalisée afin de créer au foyer acoustique une élévation de température suffisante pour détruire les cellules. Cette onde ultrasonore focalisée est engendrée par un réseau constitué d’un grand nombre de transducteurs piézo-électriques répartis sur une surface entourant la boite crânienne.

Toutefois la réalisation d’un tel faisceau ultrasonore focalisé est rendue difficile par les hétérogénéités des tissus biologiques traversés. Dans cette application, les difficultés sont accentuées par la grande différence entre les vitesses ultrasonores de l’os et celles des tissus mous, mais aussi par la perte importante d’énergie lors de la traversée de l’os. Ceci entraîne une dégradation importante, voire une déviation du faisceau. Cette contrainte implique une focalisation qui s’adapte au milieu et requiert donc l’utilisation d’un réseau de transducteurs piézo-électriques fonctionnant à l’aide d’une focalisation électronique. Nous avons mis au point une première technique de focalisation adaptative basée sur le principe du retournement temporel des ondes [1] (concept introduit par M. Fink qui met à profit l’invariance par renversement du temps de l’équation d’onde en milieux non dissipatifs).

Le retournement temporel nécessite cependant la présence au point focal d’une source acoustique, d’un capteur ou encore d’un réflecteur. Initialement, il était prévu que cette référence nous soit fournie lors de la biopsie précédent l’intervention. Une minuscule source acoustique serait placée au bout de l’instrument chirurgical destiné à prélever un échantillon de tissus. Le traitement consiste alors à mettre le système au point sur cette référence à travers le milieu hétérogène en émettant une signal impulsionnel à partir de cette petite source acoustique. Les signaux reçus sur le réseau de transducteurs placés contre la paroi crânienne sont stockés en mémoire et la source acoustique, solidaire de l’instrument chirurgical, est retirée. Ces signaux sont alors mis à profit pour calculer les codes temporels à émettre sur chaque élement du réseau. Pour aboutir à une qualité de focalisation optimale, nous avons été amené à introduire dans la communauté scientifique une nouvelle technique appelée Filtre Inverse Spatio-Temporel qui généralise le concept de retournement temporel à des milieux complexes et dissipatifs [2,3]. Les codes d’émission sont stockés en mémoire en attente du résultat de la biopsie. Le système peut à nouveau focaliser sur le point de référence mais le point focal peut aussi être déplacé électroniquement autour de cette position afin d’explorer l’ensemble de la tumeur. Les expériences réalisées in vitro sur un ensemble de demi-crânes humains ont donné des résultats très encourageants, ainsi des focalisations de qualité quasi identique à celles obtenues en milieu homogène. Parallèlement à nos travaux, ces techniques de focalisaiton adaptative ont été en partie reprises par l’équipe du Pr. Hynynen à Harvard Medical School, Boston, U.S.A [4].

Pour appliquer ces techniques in vivo, nous avons développé un système unique au monde de thérapie ultrasonore composé d’une sonde multi-éléments de 300 transducteurs piezoélectriques pilotés par une électronique multivoies de 300 cartes indépendantes d’émission/réception de forte puissance. Dans le cadre de cette activité de recherche, nous avons obtenu un financement par le R.N.T.S. du ministère de la recherche. La technique de correction des aberrations introduites par le crâne a été validée expérimentalement à l’aide de ce système et ses performances sont largement suffisantes pour envisager une application clinique [5]. Les premières séries de tests in vitro à forte puissance ont montré qu’il était possible de nécroser à distance à travers la boite crânienne (jusqu’à 15 cm) des tissus avec une précision millimétrique, Fig. 1.

Fig. 1 : Nécroses réalisées in vitro à travers la paroi crânienne dans des échantillons dégazés de foie. a) On remarque que la nécrose réalisée est extrêmement précise ( 1 mm de diamètre). b) Le faisceau ultrasonore peut être déplacé électroniquement pour traiter point par point une zone complète.


Fig. 2 : (a) Premier système de thérapie ultrasonore composé de 300 éléments individuels répartis semi-aléatoirement sur une coupelle sphérique de rayon 14 cm. (b) détail de la face avant du réseau, sur lequel on distingue la répartition semi-aléatoire de traducteurs piezo-électriques, ainsi qu’une barette linéaired’imagerie échographique implantée dans le système pour permettre l’imagerie dans un plan 2D le long du faisceau de chauffe. (c) Système final : un ballon en latex rempli d’eau dégazée et thermostatée à 10 °C assure le couplage avec le crâne. Derrière cette sonde 300 éléments de thérapie + 128 élements d’imagerie, on distingue les armoires électroniques de pilotage (d) Tests in vivo : la brebis est placée contre le système de couplage en latex. Une biopsie est réalisée, permettant d’introduire un hydrophone au voisinage de la zone à traiter.

Résultat de nombreuses années de recherche (Fig. 2), ce système de thérapie de très haute précision doit maintenant être validé in vivo sur l’animal puis sur l’homme. Nous avons réalisé les premiers tests in vivo de ce prototype unique au monde en Mai 2004 sur une vingtaine de brebis à l’Institut Mutualiste Montsouris (IMM) en collaboration avec le neurochirurgien A.L. Boch de l’hôpital de la Pitié Salpétrière et le centre d’expérimentation et de recherche animales C.E.R.A. de l’Institut Mutualiste Montsouris (Pr. Laborde, Dr. Luc Behr) à Paris.

Une nouvelle approche totalement non intrusive : la focalisation ultrasonore guidée par imagerie Rayons X

Parallèlement à ces travaux, nous avons aussi développé entre 1998 et 2004 un code de simulation numérique par différences finies permettant de modéliser parfaitement la propagation des ondes ultrasonores dans toutes sortes de milieux complexes hétérogènes et absorbants. Au cours des thèses successives de Jean-François Aubry et Mathieu Pernot, nous avons validé expérimentalement la pertinence de code de simulation numérique pour l’application à la thérapie ultrasonore du cerveau [6].

Nous avons montré que l’imagerie par rayon X du crâne peut nous apporter les paramètres d’entrée nécessaires à ce code de calcul (vitesse du son, densité de l’os, et absorption ultrasonore) pour modéliser complètement la propagation des ondes ultrasonores à travers le crâne, Fig. 3. Ceci devrait donc permettre à terme d’éviter la phase intrusive proposée par biopsie dans la technique de retournement temporel testée en 2004 en la réalisant de manière « virtuelle ». Cette nouvelle approche sera testée en mai-juin 2005 sur une population de vingt singes et moutons à l’institut mutualiste Montsouris à nouveau en collaboration avec le neurochirurgien A.-L. Boch ( CHU Pitié Salpétrière).

Fig. 3. Simulation numérique de la propagation d’une onde ultrasonore focalisée à travers l’os du crâne : image bidimensionnelle du champ ultrasonore à différents instants. Les paramètres acoustiques sont déduits des données acquises par rayons-X.

Imagerie échographique et Doppler haute résolution du cerveau

Les travaux menés pour la thérapie sur la focalisation ultrasonore à travers le crane nous ont aussi conduit à proposer une technique de focalisation optimale connue sous le nom de filtre inverse spatio-temporel. Cette technique généralise le principe du retournement temporel inventé par M. Fink à des milieux hétérogènes dissipatifs. Cette dernière méthode permet d’atteindre une qualité de focalisation presque identique à celle obtenue en milieu homogène. Nous l’avons mise en œuvre pour l’imagerie échographique du cerveau. Dans ce cas, on utilise deux réseaux échographiques situées de part et d’autre de la tête. Le deuxième réseau permet d’apprendre à corriger les aberrations dégradant la qualité de focalisation du premier réseau.

Nous participons actuellement sur ce thème à un contrat européen (UMEDS « Early detection of strokes ») où notre contribution consiste à concevoir et réaliser un prototype de système échographique spécialement dédié à l’imagerie du cerveau et capable de corriger les erreurs de focalisation dues à la traversée de l’os. La principale particularité de ce système complexe, en cours de réalisation au LOA, réside dans sa capacité à émettre des signaux totalement indépendants et programmables sur chacun des éléments piezo-électriques du réseau d’imagerie. Le but final de ce projet est d’atteindre une imagerie temps réel de très bonne qualité des écoulements sanguins dans le cerveau.


1 M. Fink, G. Montaldo and M. Tanter. ”Time reversal acoustics in biomedical engineering”, Annual review of biomedical engineering, Vol 5, pp. 465-497, 2003.

2 M. Tanter, J.L. Thomas and M. Fink. “Focusing and steering through absorbing and aberrating layers : Application to ultrasonic propagation through the skull”, Journal of Acoustical Society of America, Vol. 103 (5), pp. 2403-2410, 1998.

3 M. Tanter, J.-F. Aubry, J. Gerber, J.-L. Thomas, M. Fink.”Optimal focusing by spatio-temporal inverse filter : Part I. Basic principles”, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 101, pp. 37-47, 2001.

4 G. Clement, K. Hynynen « Micro-receiver guided transcranial beam steering », IEEE Trans Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. Vol. 49, pp. 447-453, 2002.

5 M. Pernot, J.-F. Aubry, M. Tanter, J.-L. Thomas, M. Fink. “High power transcranial beamsteering for non invasive brain therapy”, Physics in medicine and biology, Vol. 48 (16), pp. 2577-2589, 2003.

6 J.-F. Aubry, M. Tanter, J.-L. Thomas, M. Pernot, M. Fink.”Experimental demonstration of non invasive transskull adaptive focusing based on prior CT scans”, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 113 (1), pp. 84-94, 2003.

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