Brevet FR3130543A1 — publié le 20230623

La présente invention concerne une méthode et un système de paramétrage (100) intégrés au sein d’un dispositif de traitement (150) par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). Le système de paramétrage comprend une unité de simulation (140) temps-réel permettant de prédire, à partir de paramètres géométriques et physiologiques de régions tissulaires de la zone à traiter, d’une part, et de paramètres de traitement, d’autre part, la distribution du champ ultrasonore au sein de cette zone. Le calcul est effectué en temps-réel au moyen d’un méta-modèle : le champ ultrasonore est estimé à partir d’une interpolation de cartographies du champ ultrasonore précalculées et stockées dans une base de données, lesdites cartographies étant associées à différentes valeurs des paramètres géométriques et physiologiques des régions tissulaires en question. La dose thermique déposée en chaque point lors du traitement est ensuite calculée et la réponse tissulaire est estimée Fig. 1 MÉTHODE ET SYSTÈME DE PARAMÉTRAGE D’UN DISPOSITIF DE TRAITEMENT PAR ULTRASONS FOCALISÉS DE HAUTE INTENSITÉ La présente invention concerne de manière générale les dispositifs de traitement par ultrasons focalisés de haute intensité ou HIFU (High Intensity Focused Ultrasound ). Elle trouve notamment application à la destruction tumorale par ablation thermique à distance avec préservation de tissus intermédiaires. Etat de la technique antérieure La thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) consiste à utiliser l’énergie d’un faisceau ultrasonore focalisé, pour modifier ou détruire des tissus biologiques. La destruction tissulaire intervient par coagulation protéique induisant des lésions cellulaires irréversibles et l’apoptose. Cette technique est largement utilisée pour l’ablation thermique de tumeurs bénignes ou malignes (cancer de la prostate, métastases hépatiques, tumeurs cérébrales). Elle présente l’avantage d’être percutanée (donc non invasive) et de permettre la préservation des tissus sains environnants. Le traitement par HIFU fait généralement appel à une sonde multi-transducteur à réseau de phase ( phased array ). A chaque tir ultrasonore, une loi de retards et une loi d’amplitudes sont appliquées aux différents éléments du transducteur, de sorte à former un faisceau focalisé en un point prédéterminé. L’opération est répétée en différents points de la zone cible à détruire, en choisissant la cadence de répétition (fréquence de récurrence) et l’énergie des impulsions. Avant d’appliquer le protocole de traitement, le praticien doit s’assurer que la dose thermique déposée est suffisante pour détruire la zone cible tout en préservant les zones saines. Pour ce faire, la zone cible est maillée par une grille de points et une simulation de tirs ultrasonores focalisés en chaque point ou un groupe de points voisins de la grille est réalisée. L’élévation de température en chaque point est ensuite déduite à partir de la résolution de l’équation de transfert thermique dans les tissus. Une méthode de validation d’un protocole de traitement par HIFU a été décrite dans la demande US-A-2021/0000541. Cette méthode de simulation fonctionne relativement bien lorsque le milieu dans lequel se propagent les ondes ultrasonores est homogène mais devient nettement plus complexe dès lors que plusieurs zones tissulaires sont à modéliser, a fortiori lorsqu’une résolution spatiale élevée est nécessaire. La simulation du champ ultrasonore à partir des caractéristiques des différents tissus du patient peut alors nécessiter plusieurs heures sur un ordinateur personnel conventionnel, ce qui est incompatible avec un traitement ambulatoire. Il a par ailleurs été proposé d’accélérer notablement la simulation d’un traitement HIFU grâce à l’utilisation d’un métamodèle généré à partir d’une base de données simulée. Celle-ci est obtenue en définissant un ensemble de N paramètres incertains, ici les caractéristiques physiologiques et anatomiques du patient influents pour la simulation, ainsi que leur domaine de variation supposé. La base de données est obtenue en effectuant une fois pour toutes ( off- line ) la simulation du champ ultrasonore pour l’ensemble des configurations possibles dans cet espace de dimension N (configurations de base). Cette première simulation donne la distribution du champ de pression ultrasonore pour chaque configuration de base. Une seconde simulation est ensuite effectuée en ligne ( on line ) en interpolant les résultats de simulation obtenus pour les différentes configurations précédentes, c’est-à-dire en interpolant les champs de pression ultrasonores contenus dans la base de données. On parle alors de méta-modèle puisqu’il s’agit de remplacer le modèle de simulation direct, supposé exact par un interpolateur beaucoup plus rapide, voire temps réel, dont on maîtrise l’erreur. Une telle méthode de simulation d’un champ ultrasonore HIFU a été décrite dans l’article de S. Chatillon et al., intitulé « Applicatons of intensive HIFU simulation based on surrogate models using the CIVA HealthCare platform » publié dans J. of Phys., 1761, 2021. Si les paramètres physiologiques et anatomiques du patient sont parfaitement connus, cette méthode de simulation permet d’estimer la lésion réalisée pour un protocole établi, et ainsi de vérifier qu’il respecte les contraintes imposées en termes de zone cible à détruire et de tissus sains à préserver. Lorsque le protocole de traitement envisagé par le praticien ne respecte pas les contraintes précitées, celui-ci doit le modifier de manière empirique et effectuer une nouvelle simulation en ligne. La convergence du processus peut être relativement lente et conduire à une solution sous-optimale. Le but de la présente invention est par conséquent de proposer une méthode et un système de paramétrage embarqués au sein d’un dispositif de traitement HIFU qui ne présente pas les inconvénients précités, en particulier qui permette d’obtenir très rapidement un paramétrage quasi-optimal à partir des paramètres physiologiques du patient, de la zone cible à nécroser et des zones saines à épargner. Présentation de l’invention La présente invention est définie par une méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU équipé d’une sonde ultrasonore pour nécroser au moins une région tissulaire d’une zone à traiter d’un patient, ledit traitement étant original en ce qu’il comprend une pluralité de tirs ultrasonores et étant original en ce que les paramètres de traitement définissant notamment la position et l’orientation de la sonde à chaque tir relativement à la zone à traiter, la zone à traiter étant modélisée par différentes régions tissulaires, incluant au moins une région tissulaire à nécroser et une région tissulaire à préserver, chaque région tissulaire étant caractérisée par des paramètres géométriques et des paramètres physiologiques, ladite méthode de paramétrage comprenant : - une étape d’estimation du champ ultrasonore dans la zone à traiter au moyen d’un méta-modèle utilisant une base de données dans laquelle sont stockées des cartographies précalculées de champ ultrasonore pour différentes valeurs des paramètres géométriques et physiologiques de chaque région tissulaire de ladite zone, l’estimation du champ ultrasonore étant obtenue par interpolation de cartographies précalculées ; - une étape d’estimation de la dose thermique déposée en chaque point d’une grille au sein de la zone à traiter à partir du champ ultrasonore dans cette zone ; - une étape d’estimation de la réponse tissulaire en chaque point de ladite grille pour déterminer si la dose thermique déposée conduit ou non à une nécrose en ce point, définissant ainsi une région nécrosée estimée et une région préservée estimée ; - une étape d’adaptation des paramètres de traitement visant à minimiser une fonction de coût dépendant de l’écart entre la région nécrosée estimée et de la région tissulaire à nécroser, sous contrainte que la région à préserver soit comprise dans la région préservée estimée. Lesdits paramètres de traitement peuvent également comprendre la durée et la cadence de répétition des tirs ultrasonores. Lorsque la sonde comprend une pluralité de transducteurs, lesdits paramètres de traitement peuvent comprendre une loi de phase et/ou de fréquence et/ou de puissance à appliquer sur l’ensemble des éléments transducteurs. Les paramètres physiologiques d’une région tissulaire comprennent par exemple au moins un paramètre parmi la densité, la chaleur spécifique, la conductivité thermique du tissu, la chaleur spécifique du sang et le taux de perfusion sanguine du tissu. L’estimation du champ ultrasonore peut être obtenue dans le repère local de la sonde par interpolation desdites cartographies précalculées, la distribution du champ ultrasonore dans la zone à calculer en étant déduite par changement de repère. L’estimation de la dose thermique est avantageusement obtenue par une résolution d’une équation de transfert de chaleur dans les différentes régions tissulaires, prenant en compte l’énergie ultrasonore absorbée en chaque point de la grille à chaque tir ultrasonore. Le résultat du traitement peut être simulé en calculant, en chaque point de la grille, la dose thermique absorbée en ce point sous la forme d’une durée d’exposition équivalente à une température de référence, le tissu étant considéré comme nécrosé en ce point si cette durée est supérieure à une valeur de seuil prédéterminée et préservé sinon. Selon une variante, la fonction de coût dépend de l’écart entre l’étendue de la région tissulaire à nécroser avec celle de la région tissulaire nécrosée estimée. Cette fonction de coût peut être définie une somme de fonctions de coût élémentaires associées à chacun des tirs, les paramètres de traitement étant adaptés de manière itérative au moyen d’une descente de gradient, d’une descente de gradient stochastique ou d’un algorithme génétique. Pour au moins une itération d’adaptation des paramètres de traitement, la région tissulaire nécrosée estimée et/ou la région tissulaire préservée estimée sont/est avantageusement visualisée(s) sur un afficheur avec la région tissulaire à nécroser et/ou la région tissulaire à préserver en superposition avec l’image de la zone à traiter. La présente invention concerne également un système de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU équipé d’une sonde ultrasonore pour nécroser au moins une région tissulaire d’une zone à traiter d’un patient, ledit traitement comprenant une pluralité de tirs ultrasonores et étant caractérisé par des paramètres de traitement définissant notamment la position et l’orientation de la sonde à chaque tir relativement à la zone à traiter, la zone à traiter étant modélisée par différentes régions tissulaires, incluant au moins un région tissulaire à nécroser et une région tissulaire à préserver, chaque région tissulaire étant caractérisée par des paramètres géométriques et physiologiques, ledit système de paramétrage comprenant : - un module d’estimation du champ ultrasonore dans la zone à traiter au moyen d’un méta-modèle, une base de données dans laquelle sont stockées des cartographies précalculées de champ ultrasonore pour différentes valeurs des paramètres géométriques et physiologiques de chaque région tissulaire de ladite zone, ledit module d’estimation estimant le champ ultrasonore par interpolation de cartographies précalculées extraites de la base de données ; - un module d’estimation de la dose thermique déposée en chaque point d’une grille au sein de la zone à traiter à partir du champ ultrasonore dans cette zone ; - un module d’estimation de la réponse tissulaire en chaque point de ladite grille pour déterminer si la dose thermique déposée conduit ou non à une nécrose en ce point, définissant ainsi une région nécrosée estimée et une région préservée estimée ; - un module d’adaptation des paramètres de traitement pour minimiser une fonction de coût dépendant de l’écart entre la région nécrosée estimée et de la région tissulaire à nécroser, sous contrainte que la région à préserver soit comprise dans la région préservée estimée. Lesdits paramètres de traitement comprennent également la durée et la cadence de répétition des tirs ultrasonores. Lorsque la sonde comprend une pluralité de transducteurs, lesdits paramètres de traitement peuvent comprendre une loi de phase et/ou de fréquence et/ou de puissance à appliquer sur l’ensemble des éléments transducteurs. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : représente de manière schématique un système de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon un mode de réalisation de l’invention ; représente de manière schématique le module de simulation utilisé dans le système de paramétrage de la ; représente de manière schématique une méthode de prédiction de la distribution de l’intensité du champ ultrasonore, utilisée dans la ; représente de manière schématique une méthode d’estimation de la dose thermique déposée dans la zone à traiter, utilisée dans la . Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU (150) équipé d’une sonde ultrasonore pour nécroser au moins une région tissulaire d’une zone à traiter d’un patient, ledit traitement comprenant une pluralité de tirs ultrasonores et étant caractérisé par des paramètres de traitement définissant notamment la position et l’orientation de la sonde à chaque tir relativement à la zone à traiter, la zone à traiter étant modélisée par différentes régions tissulaires, incluant au moins une région tissulaire à nécroser et une région tissulaire à préserver, chaque région tissulaire étant caractérisée par des paramètres géométriques et des paramètres physiologiques, ladite méthode de paramétrage comprenant : - une étape d’estimation du champ ultrasonore (220) dans la zone à traiter au moyen d’un méta-modèle utilisant une base de données dans laquelle sont stockées des cartographies précalculées de champ ultrasonore pour différentes valeurs des paramètres géométriques et physiologiques de chaque région tissulaire de ladite zone, l’estimation du champ ultrasonore étant obtenue par interpolation de cartographies précalculées ; - une étape d’estimation de la dose thermique (230) déposée en chaque point d’une grille au sein de la zone à traiter à partir du champ ultrasonore dans cette zone ; - une étape d’estimation de la réponse tissulaire (240) en chaque point de ladite grille pour déterminer si la dose thermique déposée conduit ou non à une nécrose en ce point, définissant ainsi une région nécrosée estimée et une région préservée estimée ; - une étape d’adaptation des paramètres de traitement (250) visant à minimiser une fonction de coût dépendant de l’écart entre la région nécrosée estimée et de la région tissulaire à nécroser, sous contrainte que la région à préserver soit comprise dans la région préservée estimée. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits paramètres de traitement comprennent également la durée et la cadence de répétition des tirs ultrasonores. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la sonde comprend une pluralité de transducteurs et que lesdits paramètres de traitement comprennent une loi de phase et/ou de fréquence et/ou de puissance à appliquer sur l’ensemble des éléments transducteurs. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les paramètres physiologiques d’une région tissulaire comprennent au moins un paramètre parmi la densité, la chaleur spécifique, la conductivité thermique du tissu, la chaleur spécifique du sang et le taux de perfusion sanguine du tissu. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’estimation du champ ultrasonore est obtenue dans le repère local de la sonde par interpolation desdites cartographies précalculées, la distribution du champ ultrasonore dans la zone à calculer en étant déduite par changement de repère. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’estimation de la dose thermique est obtenue par une résolution d’une équation de transfert de chaleur dans les différentes régions tissulaires, prenant en compte l’énergie ultrasonore absorbée en chaque point de la grille à chaque tir ultrasonore. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le résultat du traitement est simulé en calculant, en chaque point de la grille, la dose thermique absorbée en ce point sous la forme d’une durée d’exposition équivalente à une température de référence, le tissu étant considéré comme nécrosé en ce point si cette durée est supérieure à une valeur de seuil prédéterminée et préservé sinon. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon la revendication 7, caractérisée en ce que la fonction de coût dépend de l’écart entre l’étendue de la région tissulaire à nécroser avec celle de la région tissulaire nécrosée estimée. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite fonction de coût est une somme de fonctions de coût élémentaires associées à chacun des tirs, les paramètres de traitement étant adaptés de manière itérative au moyen d’une descente de gradient, d’une descente de gradient stochastique ou d’un algorithme génétique. Méthode de paramétrage d’un dispositif de traitement HIFU selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que pour au moins une itération d’adaptation des paramètres de traitement, la région tissulaire nécrosée estimée et/ou la région tissulaire préservée estimée sont/est visualisée(s) sur un afficheur avec la région tissulaire à nécroser et/ou la région tissulaire à préserver en superposition avec l’image de la zone à traiter.