Brevet FR2685872A1 — publié le 19930709

ç APPAREIL D'HYPERTHERMIE ULTRASONORE EXTRACORPORELLE A TRES GRANDE PUISSANCE ET SON PROCEDE DE FONCTIONNEMENT. L'invention concerne des perfectionnements à l'appareil décrit dans le brevet français No 90 09717 déposé le 23 juillet 1990, pour: "Appareil d'hyperthermie ultraso- nore extracorporelle ultrarapide". L'appareil selon ledit brevet met en oeuvre, pour provo- quer un échauffement localisé d'une cible biologique, un faisceau d'ondes élastiques focalisé émis sous la forme de trains d'ondes de fréquence de durée et de puissance prédéterminées, et est essentiellement caractérisé en ce que les paramètres qui définissent la concentration glo- bale du faisceau dans la tache focale et la puissance sont déterminés, en fonction de la profondeur de la cible, pour que la durée de chaque train soit au plus égale à celle qui permet une destruction notable, et de préférence totale, de la cible pendant la partie quasi- linéaire de la courbe d'élévation de température de celle-ci en fonction du temps. Dans les modes d'exécution décrits dans le brevet sus- visé, il a été précisé que les puissances électriques de crête utilisées étaient comprises, suivant la profondeur de la cible, entre 10 Kw et quelques centaines de watts, que la destruction de la cible s'effectuait à une tempé- rature voisine de 580 C en un temps compris entre 0,5 et 3 sec, et que les trains d'ondes successivement appli- qués à une même cible, dans le cas o plusieurs trains d'ondes étaient nécessaires à sa destruction, devaient être séparés par des intervalles de temps de l'ordre de 1,5 à 3 sec. Les travaux ultérieurs de la Demanderesse ont permis de découvrir qu'il est avantageux, dans le traitement des cibles relativement profondes, de mettre en oeuvre des puissances électriques pouvant atteindre au moins une vingtaine de Kw, des durées de trains d'ondes pouvant descendre jusqu'à des valeurs de l'ordre de quelques centaines à quelques dixièmes de seconde et des tempéra- tures de la cible pouvant monter jusqu'à 100 C Il est par ailleurs avantageux que les intervalles de temps qui séparent les trains d'ondes successivement appliqués à une même cible soient de l'ordre de dix fois la durée desdits trains. Ils ont permis en outre de définir de manière précise un procédé de détermination des paramètres caractéristiques du fonctionnement optimum de l'appareil en fonction de la profondeur de la cible. Suivant l'invention, un tel procédé est caractérisé par les opérations successives suivantes: 1 ) Choix d'une fréquence de travail, effectué à partir de tableaux numériques établis par le calcul, à partir de données relatives à la propagation des ultrasons dans les tissus biologiques et qui donnent, pour une puissance acoustique de crête prédéterminée, par exemple égale à 1 Kw et pour les différentes valeurs de la distance focale du transducteur de l'appareil (supposé en contact avec la peau), les valeurs du facteur de concentration globale k = ka x kg du faisceau dans la tache focale, ka -3- étant le facteur d'atténuation des ultrasons sur leur trajet entre la surface émettrice du transducteur et le foyer, et kg, le facteur de concentration géomé- trique, égal au rapport des diamètres respectifs de ladite surface émettrice et de la tache focale, ce choix s'effectuant en prenant le tableau correspon- dant à la valeur de la distance focale la plus voi- sine de la profondeur de la cible et en relevant la fréquence pour laquelle le facteur k est maximum. 2 ) Détermination du temps de tir maximum en relevant expérimentalement, pour une valeur donnée du diamètre de la tache focale et pour une cible de nature et de profondeur données, la courbe de montée en tempéra- ture de la cible et en choisissant un temps de tir au plus égal ou, de préférence, sensiblement inférieur à celui qui est défini par le point d'inflexion de ladite courbe. 30) Détermination de la puissance d'émission minimale à partir, d'une part, de la vitesse de montée en tempé- rature donnée par les tableaux numériques susvisés pour ladite puissance prédéterminée, d'autre part, de graphiques, fournis par la littérature médicale, qui indiquent le temps nécessaire à la destruction de cellules vivantes en fonction de la température de traitement, ladite détermination étant faite en admettant que, pour un fonctionnement dans la partie quasi-linéaire de la courbe de montée en température, la vitesse d'échauffement est proportionnelle à la puissance. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. 4 - Au dessin annexé Les figures la et lb sont des tableaux repré- sentatifs de la concentration globale k et de la vitesse d'échauffement d T/sec en fonction de la fréquence F, pour des caractéristiques données du transducteur; La figure 2 représente des courbes d'élévation de la température d'un tissu biologique en fonction du temps de traitement; et La figure 3 est un graphique représentatif du temps de destruction d'un tissu biologique en fonction de la température à laquelle il est porté. Dans le tableau de la figure la, qui correspond à une distance focale de 10 cm, la valeur de k a été établie, pour un transducteur ayant la forme d'une coupelle sphé- rique de diamètre donné et un diamètre de la tache focale également donné, d'o une valeur connue de kg, en calcu- lant le facteur d'atténuation ka, à partir de données expérimentales connues selon lesquelles l'atténuation des ultrasons dans un tissu biologique autre qu'un os ou un tissu contenant de l'air, est de l'ordre de 1 d B par M Hz et par cm de trajet dans le tissu. En ce qui concerne le calcul de la vitesse d'échauffement, elle a été calculée, pour un volume donné de la tache focale, en admettant que les pertes d'énergie dans les tissus dues à l'absorption correspondant à 1 % de la puissance transmise, le reste des pertes ( 9 % de la puissance transmise) étant dû aux réflexions multiples sur les surfaces cellulaires On détermine ainsi la quan- tité d'énergie absorbée qui est convertie en chaleur et contribue à l'échauffement des tissus En réalité, les pertes par absorption, telles que les indique la littéra- ture, sont en général, comprises entre 2 et 3 % de la puissance transmise, si bien que la vitesse d'échauffement ainsi calculée est probablement inférieure à la réalité, la valeur de 1 % ayant été choisie par mesure de sécurité. Des tableaux similaires ont été calculés pour différentes valeurs de la distance focale, allant par exemple jusqu'à 1,5 cm (figure lb). La figure lb correspond à une puissance acoustique émise de 1 Kw et à un diamètre d'entrée de 1,5 cm. Ces tableaux permettent au constructeur de l'appareil, pour une valeur donnée de la puissance, de déterminer la fréquence optimale de travail, c'est-à-dire celle qui correspond à la fois à la concentration globale maximum de l'énergie au niveau de la tache focale (donc à la diffusion thermique la plus faible en dehors de la cible) et à l'échauffement le plus rapide Celui de la figure la montre que, pour une distance focale de 10 cm, la fréquence optimale est 1 M Hz, tandis que celui de la figure lb montre que, pour une distance focale de 1,5 cm, la fréquence optimale est 6 M Hz. La validité de cette détermination repose en fait sur l'hypothèse que la diffusion thermique et le refroidisse- ment dû à la circulation sanguine, paramètres qui n'ont pas été pris en considération dans les calculs ci-dessus, sont négligeables. En réalité, ces phénomènes peuvent devenir très impor- tants quand le volume de la source calorifique est faible, ce qui est le cas pour une tache focale ayant le diamètre indiqué. Cependant, tant que la courbe de montée en température de la cible relevée expérimentalement: figure 2 reste -6- linéaire ou quasi- linéaire, cela signifie que la quasi totalité de l'énergie absorbée par la cible est consacrée à son échauffement, donc que les pertes susvisées sont négligeables devant l'apport en calories, si bien que les valeurs numériques de la vitesse d'échauffement figurant au tableau sont valables. A la figure 2, les deux courbes I et II correspondent à des puissances émises différentes: on voit que la valeur to de la durée de tir qui correspond au point d'inflexion reste la même, mais correspond à des températures diffé- rentes, respectivement Tol et To 2. Les deux courbes atteignent un palier (correspondant à l'égalité des pertes et de l'apport en calories) au bout d'un temps identique environ égal à 5 to, le palier correspond à une température d'environ 3 Tol pour la courbe I; 2,6 To 2 pour la courbe II. La Demanderesse a établi de telles courbes pour diffé- rentes valeurs de la fréquence de travail et du diamètre de la tache focale correspondant aux valeurs optimales déterminées au moyen des tableaux numériques, en fonction de la profondeur de la cible Les valeurs correspondantes de to sont ainsi connues. En s'imposant des temps de tir inférieurs à to, le constructeur sera certain de limiter au maximum les dommages causés aux tissus voisins de la cible sous l'effet de la diffusion thermique. Il en résulte également que l'apport d'énergie calori- fique nécessaire pour détruire la cible sera substantiel- lement réduit (bien que la puissance instantanée appli- quée sera plus grande que si l'on utilise un temps de tir plus grand, comme on l'expliquera ci-après). -7- A partir du graphique de la figure 3, il est possible, pour une valeur donnée des temps de tir, de déterminer la puissance nécessaire pour détruire les cellules, comme on va maintenant l'expliquer en se référant à un exemple. A titre d'exemple, pour réaliser un appareil destiné à traiter des cibles de profondeur comprise entre 7 et cm (distances à la peau), on déterminera la fréquence optimale pour la profondeur la plus grande et, par consé- quent, on consultera le tableau de la figure 1 qui correspond à l'emploi, avec une puissance acoustique émise de 1 Kw, d'un transducteur à coupelle sphérique ayant une distance focale de 10 cm, un angle d'ouverture de 600 et un diamètre d'entrée dans le corps du patient de 10 cm On voit que la concentration globale k est maximale pour une fréquence F de 1 M Hz, et que la vitesse d'échauffement est de 33,970 C par seconde. A cette fréquence, et pour l'angle d'ouverture de 60 considéré, le diamètre de la tache focale sera de l'ordre de 1,5 mm Des courbes du type de celles de la figure 2 et correspondant à ce diamètre et à cette fréquence, montrent alors que le temps to correspondant au point d'inflexion (montée quasi-linéaire en température) est égal à 0,5 sec environ Les tissus ne seront détruits en 0,5 sec que si la température correspondante a été atteinte en un temps sensiblement plus court, que l'on fixera, par mesure de sécurité, à la valeur moitié de to, soit 0,25 sec. En consultant le graphique de la figure 3, on voit qu'un tissu biologique est détruit en 0,25 sec pour une tempé- rature de 700 C, ce qui correspond à une élévation de température de 350 C environ en 0,25 sec, soit une vitesse d'échauffement de 140 'C par sec Comme le tableau de la figure 1 indique une vitesse d'échauffement d'environ 340 C par sec pour une puissance acoustique d'émission de 1 Kw, on est conduit, en remarquant que la -8 - vitesse d'échauffement est sensiblement proportionnelle à la puissance dans la région quasi- linéaire de la courbe de montée en température de la cible, à choisir une puis- sance acoustique de 4 Kw environ. Connaissant le rendement du transducteur, et en tenant compte des pertes de transmission, on détermine approxi- mativement la puissance électrique minimum nécessaire pour éviter la diffusion thermique Elle sera, à titre d'exemple, de l'ordre de 20 Kw. Il pourra être avantageux d'utiliser des puissances plus élevées, qui conduisent à des temps de tir plus courts, pour détruire la cible Plus la puissance est élevée, plus il y aura génération progressive d'harmoniques de la fréquence F en cours de propagation L'expérimentation a montré qu'il en résulte un effet de réduction du risque de brûlure de la peau. Pour éviter une trop grande densité de puissance sur les transducteurs piézoélectriques élémentaires qui composent le transducteur de traitement, on construira une coupelle ayant par exemple 300 mm de diamètre et, pour un angle d'ouverture de 600, 300 mm de distance focale. Ce choix de la distance focale réalise un compromis entre la nécessité d'avoir un angle d'ouverture aussi grand que possible pour concentrer l'énergie au foyer et une surface d'entrée aussi faible que possible pour éviter que le faisceau de traitement ne rencontre sur son trajet des obstacles à la propagation (os, poches d'air). En pratique, si la distance focale de l'appareil n'est pas réglable, la tête de traitement sera déplacée par rapport à la peau, en fonction de la profondeur de la cible, d'une distance variable telle que son foyer coïn- cide avec la cible. 9 - Un tel résultat peut aussi être obtenu avec une tête fixe à focalisation réglable par voie électronique, par lentille ou tout autre procédé. Compte tenu du fait que l'atténuation des ultrasons dans l'eau est négligeable, les tableaux numériques susvisés restent valables. L'appareil sera agencé pour que la durée des trains d'ondes acoustiques qu'il émet soit réglable entre 0,01 sec et 1 sec par exemple, ce qui permettra au médecin de choisir la durée de traitement optimale pour chaque cible, celle-ci étant par exemple relevée sur un abaque qui fournit cette durée en fonction de la profon- deur de la cible. L'appareil défini dans l'exemple ci-dessus pourra, a fortiori, détruire sans diffusion thermique, toutes les cibles situées à moins de 10 cm de la peau. Cependant, il sera préférable de construire un appareil différent pour les cibles très rapprochées Celui-ci travaillera par exemple à une fréquence de 6 M Hz (figure lb) et avec des puissances de l'ordre du kilowatt. 2685872 Revendications 1 Appareil d'hyperthermie extracorporelle mettant en oeuvre, pour provoquer l'échauffement localisé d'une cible biologique, un faisceau d'ondes élastiques focalisé émis sous la forme de trains d'ondes de fréquence, de durée et de puissance prédéterminées, caractérisé en ce que les paramètres qui définissent la concentration globale du faisceau dans la tache focale et la puissance sont déterminés, en fonction de la profon- deur de la cible, pour que la durée de chaque train soit au plus égale à celle qui permet une destruction notable, et de préférence totale, de la cible pendant la partie quasi-linéaire de la courbe d'élévation de température de celle-ci en fonction du temps. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise une puissance électrique de crête de l'ordre de 20 Kw à une fréquence de l'ordre de 1 M Hz. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée des trains d'ondes est réglable entre 0,01 sec et 1 sec. 4 Appareil selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les ondes focalisées sont émises par une coupelle sphérique ayant un diamètre de 300 mm, une distance focale de 300 mm, une tache focale de 1, 5 mm de diamètre et un angle d'ouverture de 600. Procédé de détermination des paramètres d'un appareil selon la revendication 1, caractérisé par les opérations successives suivantes 1 ) Choix d'une fréquence de travail, effectué à partir de tableaux numériques établis par le calcul à partir de données relatives à la propagation des ultrasons dans les tissus biologiques et qui donnent, pour une puissance acoustique de crête prédéterminée, par exemple égale à 1 Kw et pour les différentes valeurs de la distance focale du transducteur de l'appareil (supposé en contact avec la peau), les valeurs du facteur de concentration globale k = ka x kg du fais- ceau dans la tache focale, ka étant le facteur d'atténuation des ultrasons sur leur trajet entre la surface émettrice du transducteur et le foyer, et kg, le facteur de concentration géométrique, égal au rapport des diamètres respectifs de ladite surface émettrice et de la tache focale, ce choix s'effectuant en prenant le tableau correspondant à la valeur de la distance focale la plus voisine de la profondeur de la cible et en relevant la fréquence pour laquelle le facteur k est maximum. ) Détermination du temps de tir maximum en relevant expérimentalement, pour une valeur donnée du diamètre de la tache focale et pour une cible de nature et de profondeur données, la courbe de montée en tempéra- ture de la cible et en choisissant un temps de tir au plus égal ou, de préférence, sensiblement inférieur à celui qui est défini par le point d'inflexion de ladite courbe. 3 ) Détermination de la puissance d'émission minimale à partir, d'une part, de la vitesse de montée en tempé- rature donnée par les tableaux numériques susvisés pour ladite puissance prédéterminée, d'autre part, de graphiques, fournis par la littérature médicale, qui indiquent le temps nécessaire à la destruction de cellules vivantes en fonction de la température de traitement, ladite détermination étant faite en admettant que, pour un fonctionnement dans la partie quasi-linéaire de la courbe de montée en température, la vitesse d'échauffement est proportionnelle à la puissance. f - 12 - 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le temps de tir est choisi à une valeur sensiblement moitié de celle qui est définie par ledit point d'inflexion. 7 Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par un intervalle de temps d'application de trains d'ondes successifs à une même cible au moins égale à 10 fois la dureté de chaque train.