Brevet FR2563725A1 — publié le 19851108

APPAREIL D'EXAMEN ET DE LOCALISATION DE TUMEURS PAR ULTRA- SONS MUNI D'UN DISPOSITIF DE TRAITEMENT LOCALISE PAR HYPERTHERMIE. Les appareils d'échographie classiques permettent évidem- ment de procéder à l'examen de tumeurs à l'intérieur du corps en en formant une image sur l'écran d'un tube cathodi- que. On sait par ailleurs qu'il est possible d'obtenir une des- truction des cellules - en particulier des cellules mali- gnes - en les soumettant de façon plus ou moins prolongée à une élévation de température. Les cellules à détruire doivent par exemple être portées à environ 45 C et ce, de manière bien contrôlée, en évitant d'atteindre des tempéra- tures excessives qui pourraient provoquer des brûlures graves autour de la lésion. Le problème technique à résoudre consiste donc à la fois à maîtriser la quantité d'énergie et sa localisation. Les différents procédés antérieurs (emploi d'hyperfréquen- ces, de rayonnement infra-rouge, et autres) permettent de traiter des tumeurs superficielles, mais non d'atteindre des tissus plus profonds. - 2- L'invention propose d'appliquer les ultrasons à l'examen et au traitement par hyperthermie et de réaliser un appareil qui conjugue les trois fonctions de localisation de la zone à traiter, de traitement par élévation de température bien maîtrisée dans une région restreinte bien délimitée à l'intérieur de cette zone et de contrôle simultané des résultats du traitement. L'appareil de traitement par hyperthermie suivant l'inven- tion est caractérisé en ce qu'il combine un générateur d'un faisceau focalisé d'ultrasons comportant un émetteur prin- cipal d'ondes électriques à haute fréquence et un transduc- teur piézo-électrique principal dont la surface active est focalisante à un dispositif d'échographie comprenant un générateur auxiliaire d'impulsions électriques à haute fréquence associé à un transducteur piézo-électrique auxi- liaire et à des moyens de provoquer un balayage de la zone à traiter par le faisceau ultrasonore d'examen engendré par le transducteur auxiliaire; et à des moyens de commutation et de réglage permettant de provoquer, pendant un mode princi- pal de fonctionnement en traitement et contrôle, l'émission dudit faisceau focalisé par le transducteur principal excité par l'émetteur principal pendant des intervalles de temps périodiques séparés par des intervalles de temps plus petits pendant lesquels l'émission du faisceau d'examen et la formation d'images échographiques s'effectuent. L'appareil comporte avantageusement un premier mode de fonc- tionnement auxiliaire en repérage pendant lequel seule l'émission périodique du faisceau d'examen par le transduc teur auxiliaire s'effectue et de préférence un second mode de fonctionnement auxiliaire en contrôle de la région foca- le, pendant lequel seule l'émission périodique du faisceau focalisé s'effectue, mais l'émetteur principal est synchro- nisé par le circuit de synchronisation du générateur auxi- liaire pour fonctionner en échographie, les intervalles de temps qui séparent les périodes d'émission successives pendant les deux modes auxiliaires de fonctionnement étant - 3- sensiblement plus faibles que les intervalles qui séparent les périodes d'émission du faisceau focalisé pendant le mode principal. Il résulte de ce qui précède que, pendant les modes auxi- liaires de fonctionnement, destinés à effectuer des réglages précis, la qualité de l'image échographique, soit de la zone à traiter (mode de repérage), soit de la région focale (mode de contrôle de la région restreinte), sera sensiblement meilleure que pendant le mode de traitement, pendant lequel les images successives de la zone à traiter se succéderont par exemple à des intervalles de l'ordre de la seconde, ce qui permettra toutefois de vérifier de manière satisfaisante la position de la région focale pendant le traitement. Suivant une forme d'exécution préférée, le transducteur auxiliaire est solidarisé à la surface sphérique du trans- ducteur principal et ainsi, au cours des déplacements de ce dernier destinés à amener la tache focale dans des régions restreintes successives de la tumeur, le transducteur auxi- liaire fournira à tout moment une image de la région traitée et de la zone qui l'entoure, permettant d'effectuer facile- ment et avec précision un contrôle permanent du traitement. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven- tion, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 est le schéma de principe d'un appareil d'hyperthermie conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention; La figure 2 représente schématiquement, en perspecti- ve, le transducteur principal et son dispositif de support mobile; - 4 - La figure 3 représente les formes d'ondes en diffé- rents points des circuits de l'appareil; et La figure 4 illustre l'image obtenue sur l'écran de visualisation que comporte l'appareil. A la figure 2, on a représenté un transducteur principal 1 en forme de calotte sphérique supporté par un montage qui en permet les déplacements suivant trois axes orthogonaux X, Y et Z. Ce montage a été représenté de manière schématique, sa réalisation étant à la portée de l'homme du métier. Suivant l'axe de la calotte sphérique est disposé un transducteur auxiliaire 2 de forme générale cylindrique, qui passe à travers la calotte 1 et lui est fixé. Une poche d'eau P est interposée entre la calotte 1 et la surface S du corps du patient, celui-ci étant supposé allongé sur un plan horizon- tal. La calotte 1 a par exemple 200 à 300 mm de diamètre et est composée d'un grand nombre (300 ou 400) d'éléments piézo- électriques 10, 11, etc... (figure 1) isolés les uns des autres et juxtaposés pour constituer une mosaîque. Ces élé- ments sont métallisés sur leurs deux faces, l'une des métal- lisations étant reliée à la masse et l'autre à des connexions d'excitation par un émetteur principal 3. Ce dernier fournit un signal électrique A (figure 3) composé de trains d'ondes à haute fréquence (500 KHz par exemple) de puissance de crête relativement faible (une dizaine ou une centaine de watts par exemple), mais de durée relativement grande (par exemple de l'ordre de la seconde) séparés par des intervalles de temps de l'ordre de 1/10 sec., temps nécessaire pour la formation d'une image par le dispositif d'échographie. Il s'agit donc d'un régime d'émission quasi- continu, destiné au traitement. Un tel régime peut être obtenu au moyen d'émetteurs utilisant des transistors de puissance. De préférence, les éléments du transducteui 1 seront répartis en groupes excités chacun par un émetteur -5- séparé (le rectangle 4 symbolisant l'ensemble de ces émetteurs), les éléments de chaque groupe étant répartis dans une même zone circulaire de la surface sphérique. En réglant les phases relatives des émissions, il est possible de modifier la répartition de l'énergie dans la région de focalisation du faisceau ultrasonore. On a symbolisé par une entrée 31 de l'émetteur 3 un réglage de la puissance émise et par une entrée 32 un réglage de la durée des trains d'ondes. La tache focale formée au centre F de la sphère pourra, avec cette technique, être très petite (diamètre de 2 ou 3 mm par exemple) et avoir une position rigoureusement fixe pour une position donnée du transduc- teur. A la figure 1, on voit que le transducteur auxiliaire 2 est luimême relié, d'une part, à un émetteur 21 d'impulsions électriques à haute fréquence, d'autre part, à un amplifica- teur de réception 22 suivi d'un convertisseur analogique- numérique 23, lui-même suivi d'une mémoire 24. L'émetteur 21 est synchronisé par un générateur d'impulsions 211 qui fournit 256 impulsions pendant chacun des intervalles de temps successifs de 1/10 de seconde. A chacun de ces inter- valles de temps correspond un balayage complet d'un secteur angulaire prédéterminé e (figure 1) par le faisceau émis par le transducteur 2, donc la formation, dans le plan de balayage, d'une image de la zone observée par le dispositif d'échographie. Le transducteur 2 est avantageusement du type décrit dans les demandes de brevet français No 80 16717 déposée le 29 Juillet 1980 pour: "Sonde d'échographie à balayage sectoriel comportant deux liquides de couplage" et No 80 16718 déposée le 29 Juillet 1980 pour: "Sonde d'écho- graphie à balayage sectoriel mécanique", c'est-à-dire qu'il comporte un élément piézo-électrique oscillant 200 commandé par un moteur 201, luimême commandé par un circuit électri nique que l'on a symbolisé par un rectangle 4. Ce circuit - 6- électronique fournit des signaux de commande du moteur 201 logé à l'intérieur du boîtier du transducteur 2 et est agen- cé de façon qu'une oscillation complète du moteur correspon- de à la durée de formation d'une image définie ci-dessus (1/10 sec.). Dans un premier mode de fonctionnement (traitement et contrôle) le commutateur 210 est en position I ainsi que les commutateurs 212 et 33. Dans la position I des commutateurs 33 et 212, le générateur 211 est synchronisé par une première sortie 41 du circuit 4, et celui-ci est alors réglé, par des moyens non figurés, pour engendrer, sur sa sortie 43 reliée au moteur 201, des signaux ayant la forme d'onde (MT) représentée à la figure 4. Le balayage d'une image s'effectue donc en 1/10 s et est suivi d'un intervalle de temps de 1 s pendant lequel l'élé- ment oscillant 200 reste immobile, si bien que le transduc- teur 2 ne reçoit pas d'échos. Pendant les intervalles entre les périodes de balayage, un circuit 34 engendre des créneaux de 1 s qui servent à synchroniser l'émetteur 3, tandis que, pendant les périodes de balayage, un circuit 213 engendre des créneaux de 1/10 s qui servent à synchroniser le générateur 211. Ainsi, dans ce mode de fonctionnement, le transducteur 1 engendre un faisceau d'ultrasons en régime quasi-continu, tandis que le dispositif d'échographie forme une image toutes les secondes dans les intervalles entre les trains d'ondes. On a représenté en (BT) la forme d'ondes des signaux alors émis par le générateur 211. Dans un second mode de fonctionnement (repérage) le commuta- teur 210 restant en position I, le commutateur 33 est en position II, si bien que l'émetteur 3 n'est pas synchronisé et que le faisceau d'ultrasons focalisé n'est pas émis. L_ commutateur 212 est également en position II, si bien que le -7- générateur 211 est synchronisé par une deuxième sortie 42 du circuit 4 et celui-ci est réglé pour engendrer, sur sa sor- tie 43, des signaux ayant la forme d'onde (MR) représentée à la figure 3. Les balayages de 1/10 s sont donc séparés par des intervalles de temps de 1/100 sec. seulement et les images sont formées à partir des échos provenant de la réflexion des impulsions engendrées par le transducteur 2. Le générateur 211 fournit les signaux (BR). Dans un troisième mode de fonctionnement (contrôle de la région focale), le commutateur 210 est en position III, si bien que l'émetteur 21 et le transducteur 2 n'émettent pas. Le commutateur 212 est encore en position II, si bien que le générateur 211 est synchronisé par la sortie 42 du circuit 4, et ce dernier est réglé comme dans le second mode de fonctionnement, si bien que les balayages de 1/10 s sont encore séparés par des intervalles de 1/100 sec. Le commuta- teur 33 est en position III et, par conséquent, l'émetteur 3 est maintenant synchronisé par le générateur 211 qui fournit alors les signaux (BR). Dans ce troisième mode de fonctionnement, le dispositif échographique est donc constitué par l'émetteur 3, le trans- ducteur 1 fonctionnant à l'émission et le transducteur 2 fonctionnant à la réception. Il en résulte qu'une image de la zone de concentration de l'énergie dans la région focale émise par le transducteur 1 est obtenue. Les signaux échographiques reçus en 22 dans le premier ou le troisième modes de fonctionnement sont, après conversion analogique-numérique en 23, stockés ligne par ligne dans la mémoire 24, un dispositif d'adressage d'écriture 25, comman- dé par le circuit 4, permettant de faire correspondre les angles respectifs de déviation du faisceau émis et/ou reçu par le transducteur 2 aux lignes respectives de la mémoire. Un dispositif 26 de lecture rapide de la mémoire excite les bobines de déviation en X et en Y d'un tube cathodique 2E, donc l'électrode de commande de brillance reçoit le contenu -8 - correspondant de la mémoire 24, transformé en signal analo- gique par un convertisseur numérique-analogique 27. La réalisation pratique de tous les circuits décrits et représentés est à la portée de l'homme de l'Art. Le circuit de commande 4 pourra par exemple comporter un monovibrateur fournissant des créneaux de durée réglable à 1/100 s ou 1 s. suivant le mode de fonctionnement et des circuits de généra- tion de tensions croissantes et décroissantes de durée 1/10 s., déclenchés par lesdits créneaux. L'appareil qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante: Dans le mode de fonctionnement en repérage, l'opérateur recherche et localise la zone à traiter. Le dispositif de visualisation est agencé, de manière connue en soi, pour matérialiser sur l'écran du tube cathodique (par exemple par une croix) la position théorique de la tache focale dans le plan de coupe représenté, plan qui passe par l'axe de symétrie du transducteur 1. (Il s'agit d'échographie du type B). L'opérateur commence par déplacer le transducteur 1 en X, jusqu'à ce que la tumeur apparaisse nettement sur l'écran# puis il le déplace en Y et Z, jusqu'à ce que la croix-coincide avec la région centrale de l'image de la tumeur (K, figure 4). A ce moment, les commutateurs peuvent être mis en position de contrôle de la région focale: seule celle-ci est alors rendue visible sur l'écran, avec une luminosité proportionnelle à la concentration d'énergie correspondante. On a ainsi une représentation de ce que sera la répartition de l'énergie de l'onde de traitement, ce qui permet de contrôler et de parfaire les réglages. Pendant le traitement, l'appareil ne fournit qu'une image par seconde, mais cette cadence est suffisante pour permet- tre une vérification quasi permanente de la position de la tache focale. - 9 - Il est clair que l'appareil décrit permet le contrôle de l'évolution de la tumeur après chaque séquence de traite- ment. Il va de soi qu'il pourra subir diverses modifications et même faire l'objet de variantes d'exécution, sans s'écar- ter de l'esprit de l'invention. - 10 - Revendications de brevet 1. Appareil de traitement par hyperthermie, caractérisé en ce qu'il combine un générateur d'un faisceau focalisé d'ultrasons comportant un émetteur principal (3) d'ondes électriques à haute fréquence et un transducteur piézo-électrique principal (1) dont la surface active est focalisante, à un dispositif d'échographie comprenant un générateur auxiliaire d'impulsions électriques à haute fréquence (21-211) associé à un transducteur piézo-électri- que auxiliaire (2) et à des moyens par le transducteur principal excité par l'émetteur princi- pal pendant des intervalles de temps périodiques séparés par des intervalles de temps plus petits pendant lesquels l'émission du faisceau d'examen et la formation d'images échographiques s'effectuent. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par un premier mode de fonctionnement auxiliaire en repérage, pendant lequel seule l'émission périodique du faisceau d'examen par le transducteur auxiliaire s'effectue et, de préférence, un second mode de fonctionnement auxi- liaire en contrôle de la région focale, pendant lequel seule l'émission périodique du faisceau focalisé s'effectue, mais l'émetteur principal (3) est synchronisé par le circuit le synchronisation (211) du générateur auxiliaire pour fonc- tionner en échographie, les intervalles de temps qui sépa- rent les périodes d'émission successives pendant les deux modes auxiliaires de fonctionnement étant sensiblement plus faibles que les intervalles qui séparent les périodes d'émission du faisceau focalisé pendant le mode principal. - 11 - 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les intervalles de temps d'émission du faisceau focalisé en mode traitement et contrôle sont de l'ordre de la seconde et sont séparés par des intervalles de formation d'image de l'ordre du dixième de seconde. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pendant les deux modes de fonctionne- ment auxiliaire, les intervalles de formation d'images de l'ordre du dixième de seconde sont séparés par des inter- valles d'arrêt du balayage de l'ordre de 1/100 de seconde. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le transducteur principal est consti- tué par une mosaique d'éléments piézo-électriques isolés les uns des autres et formant une calotte sphérique (1) suppor- tée par des moyens de contrôler son déplacement suivant trois axes orthogonaux (X, Y, Z), tandis que le transducteur auxiliaire (2) est fixé au sommet de ladite calotte et associé à des moyens (200-201) d'effectuer un balayage sectoriel dans un plan qui passe par l'axe de symétrie de ladite calotte.