Ultrasons focalisés interstitiels guidés par la navigation échographique pour les thérapies conformationnelles du carcinome hépatocellulaire

Ultrasound-Navigation-guided Interstitial Focused Ultrasound for Conformal Therapy of Hepatocellular Carcinoma

• Auteur / Autrice : Thomas Biscaldi
• Direction : William Apoutou N'Djin, Laurent Milot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie biomédicale
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des applications Thérapeutiques des Ultrasons
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Canet-Soulas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Apoutou N'Djin, Laurent Milot, Julien Frandon, Chafiaa Hamitouche, Clément Papadacci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Frandon, Chafiaa Hamitouche, Clément Papadacci
• DOI : 10.70675/ea2bd42az5dd5z4b8bz8d77z340e673275a7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carcinome hépatocellulaire

Ultrasons focalisés de haute intensité

Imagerie interventionnelle

Mots clés libres

Ultrasons

Thérapie ultrasonore

Navigation échographique

Interstitiel

Hifu

Carcinome hépatocellulaire

Ultrasound

Therapeutic ultrasound

Ultrasound Navigation

Interstitial

Hifu

Hepatocellular Carcinoma

Résumé

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est le sixième cancer en termes d'incidence dans le monde et le quatrième le plus meurtrier en 2018. La transplantation hépatique est le moyen le plus efficace de traiter le CHC, permettant de traiter le cancer et la maladie hépatique sous-jacente. Cependant, en raison de la pénurie de greffons, elle n'est pratiquée que chez 3 à 4 % des patients. Les traitements d'ablation thermique administrés par voie interstitielle constituent une alternative moins invasive pour le patient et présentent l'avantage de préserver une plus grande proportion de tissu non tumoral. Toutefois, ces techniques de traitement interstitiel ne permettent pas de traiter les CHC de plus de 2,5 cm de rayon ou nécessitent l'insertion de plusieurs aiguilles de traitement, ce qui augmente la complexité de la procédure. En outre, le traitement n'est pas conformationnel : le volume d'ablation thermique ne s'adapte pas à la forme de la tumeur. Cela peut parfois empêcher le traitement d'être effectué sans risquer d'endommager des structures anatomiques critiques. Les techniques de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) sont prometteuses dans le cas du CHC car elles permettraient de réaliser des ablations conformationnelles sur un rayon étendu jusqu’à 3 cm. L'utilisation de ce type de technologie pourrait traiter des CHC actuellement non traitables tout en préservant les structures à risque, élargissant ainsi le rôle des ablations interstitielles. 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 (assurant l’imagerie B-mode et la thérapie thermique avec les mêmes éléments) 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.

Hepatocellular carcinoma (HCC) is the sixth most common cancer in terms of incidence worldwide, and the fourth most deadly in 2018. Liver transplantation is the most effective way to treat HCC, enabling both the cancer and the underlying liver disease to be treated. However, due to the shortage of grafts, it is performed in only 3% to 4% of patients. Interstitial thermal ablation treatments offer a less invasive alternative for the patient, and have the advantage of preserving a greater proportion of non-tumoral tissue. However, these interstitial treatment techniques are unable to treat HCCs larger than 2.5 cm in radius, or require the insertion of multiple treatment needles, increasing the complexity of the procedure. In addition, the treatment is not conformal: the thermal ablation volume does not adapt to the shape of the tumor. This can sometimes prevent the treatment from being carried out without risking damage to critical anatomical structures. High-intensity focused ultrasound (HIFU) therapy techniques hold promise for HCC, enabling conformal ablation over an extended radius of up to 3 cm. The use of this type of technology could treat currently untreatable HCC while preserving at-risk structures, thus expanding the role of interstitial ablations. Simulations of a new ultrasound catheter were carried out to design specifications and verify the feasibility of the project in terms of focusing and ablation. A bimodal ultrasound catheter (providing B-mode imaging and thermal therapy with the same elements) with a diameter of 3 mm and 64 piezoelectric elements operating at 5.5 MHz was subcontracted 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 MRI thermometry, validating the simulation tools and demonstrating the directional aspect of induced heating. These results led to 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.