New echocardiographic imaging modalities for guiding and monitoring of therapy by focused ultrasound of calcified aortic stenosis
Nouvelles modalités d’imagerie échocardiographique pour le guidage et le monitoring de la thérapie par ultrasons focalisés du rétrécissement aortique calcifié
Résumé
Pulsed cavitational ultrasound therapy (PCUT) is an effective non-invasive therapeutic approach in various medical indications that relies on the mechanical effects generated by inertial cavitation bubbles in a controlled focal area. It’s characterized by a short-pulse high intense focused ultrasound emission with no heating effects. This technology, developed in the 2000’s, remains however very recent and there is a need to develop new imaging modalities for the guiding and the monitoring of the procedure. In fact, the B-Mode visualization of the bubble cloud is often limited in deep organs such as the liver and the heart and remains qualitative for the operator. Moreover, inertial cavitation remains a three-dimensional phenomenon which awakens the need for a three-dimensional imaging tool development, as for safety reasons it’s essential to be able to precisely place the therapeutic focal spot on the target zone. At this date, there are no international standards for PCUT.PCUT has been proved to be an effective solution for the calcified aortic stenosis (CAS) treatment, and Cardiawave, in partnership with Physics for Medicine Paris and the European Hospital Georges Pompidou, is developing an approach which consists in repairing the aortic valve, not replacing it. No surgery is required, and it could represent an alternative and a complementary solution to current surgical interventions.The present work explores different tools for the guidance and monitoring of the PCUT treatment of CAS.First, a new modality for the cavitation cloud imaging based on a passive coherent acquisition combined with a spatiotemporal filter was developed, adapted to cardiac applications and easily transposable to commercial ultrasound devices. The modality takes advantage of the short-pulses of PCUT, and by knowing the absolute time delays it allows a “pulse-echo” coherent beamforming of the therapeutic ultrasonic field. The modality was first tested in 2D, in vitro and in vivo, then transposed to 3D.Secondly, we developed safety tools to ensure the guiding and the monitoring of the therapy. As cavitation is a three-dimensional phenomenon, following Cardiawave’s device design it was necessary to ensure the sharp positioning of the therapeutic focal spot. A new cardiac probe was designed for the project. B-Mode and bi-plane ultrafast acquisitions were developed and tested. A specific beamforming allowing a sufficient frame rate and adapted to the mechanical specifications of the probe was also set up based on theory and simulations.Simultaneously, PCUT is presented as a potential solution to treat venous thrombosis by creating a channel for blood on the thrombus, using cavitation. We proposed the design of a new therapy transducer adapted to this pathology and allowing to focus high intensity ultrasound at different depths. The design was optimized using simulations. Finally, we integrated the whole robotically assisted PCUT system for the therapy allowing cavitation monitoring and an easy positioning of the target, hopefully easily transposable to clinics.
La thérapie par ultrasons cavitationels pulsés (PCUT) est une approche thérapeutique non invasive efficace dans diverses indications médicales qui repose sur les effets mécaniques générés par les bulles de cavitation inertielle dans une zone focale contrôlée. Il se caractérise par une émission d’ultrasons focalisés à haute intensité à impulsions courtes sans effets de chauffage. Cette technologie, développée dans les années 2000, reste cependant très récente et il est nécessaire de développer de nouvelles modalités d’imagerie pour le guidage et le suivi de la procédure.La visualisation du nuage de bulles en mode B est souvent limitée dans les organes profonds tels que le foie et le cœur et reste qualitative pour l'opérateur. De plus, la cavitation inertielle reste un phénomène tridimensionnel qui fait naître le besoin de développer un outil d’imagerie tridimensionnel: pour des raisons de sécurité, il est essentiel de pouvoir placer précisément le point focal thérapeutique sur la zone cible.À ce jour, il n’existe pas de normes internationales pour PCUT.PCUT s’est avéré être une solution efficace pour le traitement de la sténose aortique calcifiée (CAS) et Cardiawave, en partenariat avec Physics for Medicine Paris et l’Hôpital Européen Georges Pompidou, développe une approche consistant en réparer la valvule aortique, sans la remplacer. Aucune intervention chirurgicale n'est nécessaire, et cela pourrait représenter une alternative voire une solution complémentaire aux interventions chirurgicales actuelles.Le présent travail explore différents outils pour le guidage et le suivi du traitement PCUT de la CAS.Premièrement, une nouvelle modalité d'imagerie du nuage de cavitation basée sur une acquisition cohérente passive associée à un filtre spatio-temporel a été développée, adaptée aux applications cardiaques et facilement transposable aux appareils à ultrasons du commerce. La modalité tire parti des impulsions courtes de PCUT et, en connaissant les retards absolus de vol ultrasonore entre la thérapie et la sonde, elle permet une reconstruction cohérente en «pulse-écho» du champ ultrasonore thérapeutique. La modalité a d'abord été testée en 2D, in vitro et in vivo, puis transposée en 3D.Deuxièmement, nous avons développé des outils de sécurité pour assurer le guidage et la surveillance de la thérapie. La cavitation étant un phénomène tridimensionnel, il était nécessaire, après la conception du dispositif Cardiawave, d’assurer le positionnement précis du point focal thérapeutique. Une nouvelle sonde cardiaque a été conçue pour le projet. Des acquisitions ultra-rapides bi-planes et en mode B ont été développées et testées. Une séquence d'imagerie spécifique permettant une cadence suffisante et adaptée aux spécifications mécaniques de la sonde a également été mise au point sur la base de simulations.Simultanément, la PCUT est présentée comme une solution potentielle pour traiter la thrombose veineuse en créant un canal pour le passage du sang sur le thrombus, en utilisant la cavitation inertielle. Nous avons proposé la conception d'un nouveau transducteur de thérapie adapté à cette pathologie et permettant de focaliser des ultrasons de haute intensité à différentes profondeurs. La conception a été optimisée à l'aide de simulations. Enfin, nous avons intégré l’ensemble du système PCUT assisté par robot pour la thérapie, ce qui permet de surveiller la cavitation et de positionner facilement la cible, dispositif transposable dans les cliniques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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