Brevet FR2532851A1 — publié le 19840316

La présente invention concerne un dispositif des- tiné à chauffer des parties limitées d'un corps humain, et porte plus particulièrement sur un applicateur pour hyper- thermie par ultrasons, capable de chauffer uniformément et de façon locale des volumes relativement grands, sans ba- layage. On a donné le nom d'hyperthermie à la technique consistant à produire une température élevée dans un corps humain, dans un but thérapeutique Son application au trai- tement du cancer est basée sur la découverte du fait que les cellules malignes sont généralement plus sensibles à la chaleur que les cellules normales Parmi les techniques physiques pour l'hyper'thermie figurent la rétention de la chaleur métabolique, le chauffage par absorption d'énergie radiofréquence ou hyperfréquence, la conduction à-travers la peau, comme au moyen d'un bain d'eau chaude, et la per- fusion de sang chauffé de façon externe, de fluides intra- veineux chauffés et de gaz anesthésiques, mais il est bien connu que les ultrasons offrent des avantages dans la mesu- re o Ils ont une bonne pénétration dans les tissus et o le chauffage par ultrasons peut 8 tre concentré et localisé. Cette dernière caractéristique est particulièrement impor- tante, dufait qu'il faut éviter de léser gravement les tissus sains et la peau dahs la région environnante O Cepen- dant, pour une fréquence fixe donnée d'ultrasons, on ne peut pas changer la taille cu volume focal pour un seul transducteur focalisé cohérent, ce qui fait que le traite- ment d'un volume plus grand que la taille focale inhérente a été effectué précédemment par balayage Le balayage con- duit cependant à un rapport élevé entre la puissance de crête et la puissance moyenne et il introduit également le problème complexe consistant à balayer de façon rapide et précise la région'à chauffer. L'invention a donc pour but de procurer un appa- reil pour chauffer un volume de tissu situé en profondeur dans un patient, sans nécessiter un balayage. Un autre but de l'invention est de procurer un applicateur pour hyperthermie par ultrasons capable de pro- duire divers diagrammes de chauffage, par la sélection de la fréquence ainsi que du diamètre effectif et de la dis- tance focale des éléments émetteurs cohérents individuels. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 montre de façon qualitative comment une superposition non cohérente de deux faisceaux indivi- duellement cohérents et individuellement focalisés peut produire l'effet consistant à chauffer uniformément une région étendue. La figure 2 montre schématiquement comment un réseau non cohérent de faisceaux individuellement cohé- rents, individuellement focalisés sur un plan cible, peut avoir Lu point d'intensité thermique maximale à une cer- taine distance du plan cible. La figure 3 montre schématiquement le procédé de focalisation en spirale conforme à l'invention, selon lequel une superposition non cohérente de faisceaux indi- viduellement cohérents et individuellement focalisés sur un plan cible, ne fait apparaître aucun point non désiré d'intensité thermique accrue à l'extérieur du volume ci- ble. les figures 4 a à -4 c montrent des exemples de la façon selon laquelle on peut disposer des trans- ducteurs individuels dans un plan pour qu'ils puissent Ctre attaqués selon diverses techniques de groupement. Brièvement, le principe fondamental sur lequel repose l'invention consiste en ce qu'il -est possible d'effectuer un chauffage uniforme par la superposition non cohérente de deux faisceaux ultrasonores cohérents, dans le champ lointain Tout faisceau ultrasonore cohé- rent présente dans le champ lointain un profil d'intensité transversal tel que celui représenté par la courbe A sur la figure 1 Si on superpose de façon non cohérente un au- tre faisceau cohérent de ce type, représenté par la courbe Bq le profil résultant est celui représenté par la courbe (A+B) qui monte et descend aussi rapidement que les cour- bes A et B, mais qui demeure relativement constant sur une distance=étendue Ainsi, il est théoriquement possible d'obtenir presque n'importe quel diagramme résultant de niveau de puissance en superposant de cette manière un grand nombre de faisceaux non cohérents On doit cependant faire ceci de façon que les axes des faisceaux ne se ren- contrent pas à l'extérieur du volume de traitement, du fait qu'un tel point d'intersection représente une posi- tion d'intensité thermique maximale. On va maintenant considérer la figure 2 qui mon- tre schématiquement un exemple caractéristique dans lequel un tel point d'intensité maximale apparaît à l'extérieur du volume de traitement Quatre éléments émetteurs 11, ayant chacun un diamètre de faisceau effectif fini repré- senté par un cercle, sont placés en une formation approxi- mativement carrée dans un plan de transducteurs 12 à une certaine distance de la zone cible 15, en faisant face di- rectement à cette dernière Ainsi, la ligne 16 passant par le centre de la formation carrée et normale au plan de transducteurs 12 passe également par le centre 19 de la zone cible 15 et est perpendiculaire au plan de cette der- nière On sélectionne quatre foyers 21 dans la zone cible , en une formation approximativement carrées, de façon qu'ils soient placés non seulement à une mime distance de la ligne 16, mais également à des angles d'azimut par rap- port à la ligne 16 identiques à ceux des éléments émetteurs Chaque élément émetteur 11 est une source de faisceaux cohérents et il est focalisé au plus proche des foyers 21, ou au foyer qui se trouve au même angle d'azimut que l'élément émetteur lui-mrme, par rapport à la ligne 16. Cette technique de focalisation est représentée sur la fi- gure 2 au moyen de faisceaux représentatifs partant de chaque élément 11, la figure montrant également les axes des faisceaux Les quatre éléments émetteurs 11 sont focalisés de façon incohérente les uns par rapport aux au- tres, mais cette technique de superposition incohérente de faisceaux individuellement cohérents n'est pas satisfaisan- te, du fait que les quatre axes de faisceau 25 se rencon- trent sur la ligne 16 à un point 26 Ce point sera un point d'intensité thermique maximale, et il y a des chances que ce point se trouve à l'extérieur du volume cible - Ia présente invention porte sur le problème con- sistant à éliminer cette difficulté o On va maintenant con- sidérer la figure 3 qui illustre la technique de focalisa- tion en spirale de l'invention au moyen d'un simple exem- ple Les composants qui correspondent à ceux de la figure 2 portent les mêmes numéros de référence Quatre éléments émetteurs 11 ' sont placés face à la zone cible 15 ', et quatre foyers 21 ' sont sélectionnés sur cette zone cible, d'une manière identique à celle de la figure 2, mais cha- cun des éléments émetteurs 11 ' est focalisé non pas sur le plus proche des foyers 21 ' (c'est-à-dire celui qui est si- tué au meme angle d'azimut que l'élément émetteur, par rap- port à l'axe 16 '), mais sur celui qui est décalé par rap- port à lui de 900 en sens inverse d'horloge (lorsqu'on re- garde par le dessus)o Il en résulte que les quatre axes de faiseau 25 ' sont maintenant dans une formation semblable à une spirale et ne peuvent donc pas se rencontrer En fait, la figure 3 indique qua la position d'intensité maximale est étalée sur la-zone cible elle-mêmee Pour illustrer l'un des modes de réalisation préférés de l'invention, basé sur le principe décrit ci- dessus, la figure 4 a montre 36 éléments transducteurs 13 qui sont brasés sur une plaque de base 12 '', en forme d'he- xagone régulier, de façon que les lignes qui relient les centres de cercles mutuellement adjacents, chacun d'eux re- présentant la section effective des faisceaux provenant d'un élément transducteur, forment une matrice serrée de triangles équilatéraux De la puissance RF sur une fréquen- ce fondamentale ou des fréquences correspondant à des modes résonnants élevés, en fonction des profondeurs de traite- ment, peut 9 tre appliquée de façon adaptée à chaque élément transducteur par l'intermédiaire d'un transformateur d'im- pédance toroidal multiprise (non représenté)o Chacun des éléments 13 peut ttre focalisé individuellement ou, selon une variante, un groupe de plusieurs transducteurs adja- cents peut fonctionner à la manière d'un élément émetteur cohérent ayant un plus grand diamètre effectif Les figures 4 b et 4 c montrent deux exemples de ce type, dans les= quels les transducteurs désignés par le même nombre forment un seul élément émetteur (par exemple l'élément 11 de la figure 2), tandis que les transducteurs qui portent des nombres différents sont des émetteurs de faisceaux qui doi- vent être superposés de façon non cohérentes La figure 4 b montre un mode dans lequel 8 des 36 transducteurs disponi- bles ne sont pas excités, et lesltransducteurs restants sont divisés en 4 groupes (éléments émetteurs) de 7 (trans- ducteurs) chacun, ce qui constitue-une approximation de la situation représentée sur la figure 3 e La figure 4 c mon- tre un autre exemple de groupement dans lequel les 36 transducteurs sont divisés en 12 groupes (éléments émet- teurs) de 3 (transducteurs) chacun. Les faisceaux provenant de chaque élément émet- teur qui est ainsi formé par un seul transducteur (oomme sur le figure 4 a ou par un groupe de transducteurs (comme sur les figures 4 b et 4 c, sont focalisés à un point sélectionné de la cible, conformément à la technique qui est représentée sur la figure 3. Conformément à la technique de focalisation en spirale qui correspond à l'invention, on sélectionne une zone cible (comme la zone 15 ' de la figure 3) avec un dia- mètre effectif fini, et on place la plaque de base 12 " di- rectement face à la zone cibles et à une certaine distance d'elle, de façon à pouvoir définir un axe normal à la fois à la plaque de base et à la zone cible (comme la ligne 16 " de la figure 3) On focalise dès faisceaux provenant de chaque élément émetteur à un point cible particulier dans le plan cible, d'une manière telle que ( 1) ces points ci- bles forment sur le plan cible une figure présentant une relation de similitude (au sens qu'on donne à ce mot en géométrie) par rapport à la figure que forment dans le plan de la plaque de base les centres des sections de faisceau effectives des éléments émetteurs, avec une rota- tion, entre ces deux figures, d'un angle fixe autour de l'axe normal, et que ( 2) chaque axe de faisceau (comme l'axe 25 ' de la figure 3) relie des points correspondants des deux figures similaires Autrement dit, les faisceaux provenant d'un élément émetteur dont le centre est à une distance R de l'axe normal défini ci-dessus, et se trouve à un angle d'azimut A (par rapport à une direction de ré- férence fixe) autour de cet axe, sont focalisés dans le plan cible à un point qui est à une distance r R et à un angle d'azimut A+Z, en désignant par r un facteur multipli- catif prédéterminé inférieur à l'unité et par Z un angle fixe (ou rotation en spirale). Il résulte de la technique de focalisation dé- crite ci-dessus que les axes des faisceaux prennent une formation en spirale autour de l'axe normal, comme le mon- tre la figure 3 Si on utili-se un grand nombre d'éléments émetteurs placés de façon que leurs distances à l'axe nor- mal ne soient pas uniformes, les axes des faisceaux peuvent prendre une formation en spirale double-ou multiple L'an gle de rotation préféré change également en fonction de la répartition des éléments émetteurs, du fait qu'il ne doit pas être suffisamment faible pour que des points de chauf- fage notablement accru puissent appara Xtre à l'extérieur du volume cible, mais il ne doit pas être élevé au point que des faisceaux provenant d'éléments émetteurs adjacents puissent se rencontrer Dans le cas o quatre éléments émetteurs sont installés en une formation pratiquement car- rée, comme le montrent les figures 2, 3 ou 4 b, l'angle de rotation en spirale (c'est-à-dire Z) doit 4 tre dans la pla- ge d'environ 30 -150 , et de préférence presque égal à 900 % On focalise les faisceaux provenant d'éléments individuels conformément à l'une quelconque des configura- tions décrites ci-dessus, en plaçant une lentille acousti- que(non représentée) parallèlement au plan de transducteurs 12 et en avant des transducteurs 11 On peut aisément en- lever la lentille et la remplacer par une autre de type différent, de façon à pouvoir obtenir différentes caracté- ristiques de focalisation Une interfacé de patient (non représentée), ou la surface par laquelle l'applicateur peut venir en contact avec le patient, est formée en caout- chouc mince Pour éviter un échauffement excessif des com- posants de l'applicateur, comme les transducteurs, la len- tille acoustique et l'interface de patient, un système de conduits (non représenté) est établi pour faire circuler un liquide tel que de l'eau Le liquide peut circuler à la fois dans des conduits situés entre la lentille et les transducteurs et dans ceux situés entre la surface avant de la lentille (surface faisant face au patient) et l'in- terface de patient, pour réaliser un refroidissement effi- cace. On vient de décrire l'invention en considérant seulement quelques modes de réalisation particuliers O On doit cependant considérer que la description ci-dessus est faite dans un but d'illustration et non de limitation. Par exemple, il n'est pas obligatoire que les faisceaux correspondent à des ondes ultrasonores La technique de l'invention est également applicable à un dispositif uti- lisant des ondes transversales, comme des micro-ondes et des ondes infrarougesoptiques ou ultraviolettes On peut faire varier librement le nombre total de transducteurs à fixer à la plaque de base Du fait que le principe fon- damental consiste à employer un réseau non cohérent de faisceaux individuellement cohérents et individuellement focalisés, on peut employer n'importe quel nombre de tel- les sources individuelles de faisceau cohérent dans un applicateur conforme à l'invention On peut employer n'im- porte quel procédé pour fixer ces sources dans leurs posi- tions prédéterminées On peut grouper ensemble n'importe quel nombre de transducteurs individuels pour former un émetteur du type représenté sur la figure 3 (et non néces- sairement 7 comme sur la figure 4 b ou 3 comme sur la fi- gure 4 c, et on peut donc faire également varier la taille et la forme de tels éléments On peut utiliser n'importe quel-procédé connu dans la technique pour atta- quer les transducteurs contenus dans chaque élément émet- teur, pour qu'ils émettent des faisceaux cohérents Il n'est pas obligatoire que la figure selon laquelle les centres d'éléments émetteurs sont répartis dans le plan de transducteurs soit exactement identique à celle de leurs foyers, à condition que le plan d'intensité thermique ma- ximale soit formé très près du plan de leurs foyers, pour réaliser le traitement On peut employer n'importe quel procédé pour focaliser les faisceaux et refroidir le dis- positif N'importe quelle configuration raisonnable est utilisable en ce qui concerne l'établissement de conduits pour faire circuler un liquidé. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent 9 tre apportées au dispositif décrit et re- présenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à irradier uniformément un volume cible au moyen d'un réseau non cohérent de faisceaux individuellement cohérents qui sont focalisés individuelle- ment, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'élé- ments émetteurs de faisceau ( 11 ') ayant des diamètres de faiscau effectifs finis et positionnés à des positions de source prédéterminées, chacun de ces éléments émetteurs ( 11 ') étant conçus de façon à émettre des faisceaux cohé- rents focalisés à un point cible ( 21 '), et les axes ( 25 ') des faisceaux des éléments émetteurs ne se rencontrant pas à l'extérieur du volume cible. 2 Dispositif selon la revendication 1 caracté- risé en ce que les faisceaux sont des faisceaux ultraso- nores et chacun des éléments émetteurs ( 11 ') comprend un ou plusieurs transducteurs ( 13). 3 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que toutes les positions de source se trouvent dans un plan d'émetteurs ( 12 ') et les points cibles ( 21 ') se trouvent dans un plan cible ( 15 ') qui est parallèle au plan d'émetteurs ( 12 '). 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la figure géométrique formée par les posi- tions de source dans le plan d'émetteurs ( 12 ") présente une relation de similitude avec la figure des points ci- bles ( 21 ') dans le plan cible ( 15 '), et cette figure de positions de source présente, par rapport à la figure de points cibles ( 21 '), une rotation d'un angle prédéterminé autour d'un axe ( 16 ') perpendiculaire au plan d'émetteurs ( 12 '). Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'angle est dans la plage de 30 à 150 0. 6 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un ensemble de trans- ducteurs ( 13) qu'on peut etre actionné pour émettre des faisceaux cohérents, à la fois individuellement et en groupes. 7 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le volume cible est supérieur à la taille du volume focal propre à chacun des transducteurs ( 13). 8 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les axes ( 25 ') des faisceaux ne se rencon- trent pas. 9 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre une lentille acoustique et des moyens pour faire circuler un liquide dans le but de refroidir le dispositif. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'on peut faire varier le nombre d'éléments émetteurs ( 11 ') et les diamètres effectifs, en faisant fonctionner les transducteurs ( 13) selon différents modes de groupement. 11 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'on peut aisément enlever la lentille et la remplacer par une autre ayant une caractéristique de foca- lisation différente. 12 Dispositif destiné à émettre des faisceaux individuellement cohérents et mutuellement non cohérents à partir d'un nombre variable de sources émettrices ( 11 ') ayant des diamètres effectifs variables, caractérisé en ce qu'il comprend un grand nombre d'émetteurs ( 13) se trouvant dans des positions relatives fixes, et des moyens pour diviser de façon variable ces émetteurs en groupes et pour provoquer l'émission de faisceaux à partir de ces émetteurs d'une manière telle que les faisceaux provenant du meme groupe soient cohérents et que les faisceaux pro- venant de groupes différents soients mutuellement non co- hérents. 13 Procédé pour irradier uniformément un volume cible, sans balayage, par un réseau non cohérent de faisceaux individuellement cohérents qui sont focalisés individuellement, caractérisé en ce qu'on émet un faisceau cohérent ayant un diamètre effectif fini à partir de cha- que source parmi un certain nombre de sources de faisceau ( 11 '), et on focalise chacun des faisceaux cohérents sur un point parmi un certain nombre de points cibles ( 21 ') sélectionnés à l'intérieur du volume, les axes ( 25 ') des faisceaux focalisés provenant de sources différentes ne se rencontrant pas à l'extérieur du volume cible.