UNIVERSITE DE STRASBOURG

ECOLE DOCTORALE MATHEMATIQUES SCIENCES DE LINFORMA TION ET DE LINGENIEUR

RESUME DE LA THESE DE DOCTORAT Discipline : Signal, Image, Automatique, Robotique (SIAR) Gnie biomdical Spcialit (facultative) : Prsente par : Chanel Laure-Anas (Nom Prnom du candidat)

Titre : Assistance la thrapie par ultrasons fo caliss de haute intensit (HIFU) : Compensation des mouvements physiologiques par asservissement sur images ultrasonores

Unit de Recherche : Laboratoire ICube - UMR 7357 CNRS Universit de (N et Nom de lUnit) Strasbourg Directeur de Thse : De Mathelin Michel, Professeur (Nom Prnom Grade) Co-Directeur de Thse (sil y a lieu) : (Nom Prnom Grade) Localisation : Strasbourg, 1 place de lhpital

Thse confidentielle : NON OUI

1 Contexte gnral

La thrapie par HIFU est ce jour la seule technique non-invasive et non-ionisante permettant l'ablation des tumeurs solides. Elle repose sur le principe de labsorption des ultrasons de haute intensit par les tissus provoquant du fait de sa focalisation un chauffement localis. Cet chauffement entrane la coagulation des vaisseaux et par consquent la mort des cellules tumorales (apoptose ou ncrose).

Figure 1 : ablation thermique par HIFU http://www.hifu.ca/history-ablatherm-hifu.htm

Cependant, le mouvement physiologique des organes reprsente un problme majeur dans le

traitement des tumeurs par HIFU. En effet, les mouvements, causs principalement par la respiration, empchent un ciblage correct de la tumeur. Les organes intra-abdominaux sont particulirement concerns par ce problme. Pour le rsoudre, plusieurs solutions ont t proposes :

-bloquer le mouvement respiratoire lors de l'exposition HIFU en provoquant des apnes chez le patient ou en laissant ventiler uniquement le poumon oppos la zone traiter.

-utiliser la mthode de fentrage temporel ( gating respiratoire ) qui consiste nmettre des ultrasons focaliss qu la fin de la phase d'expiration du cycle respiratoire, o le mouvement respiratoire est faible.

-suivre le mouvement de l'organe par IRM ou par imagerie ultrasonore et le compenser.

Notre choix s'est port sur la mthode de suivi du mouvement afin que le traitement par HIFU soit verrouill sur la cible. La frquence dacquisition des images ultrasonores tant plus leve que celle des images IRM, la modalit dimagerie ultrasonore a t choisie. Nous avons par consquent dvelopp un systme robotis HIFU tout-en-un qui permet la compensation active du mouvement physiologique en temps rel par asservissement sur images ultrasonores. 2 Systme HIFU robotis

Le systme HIFU robotis dvelopp consiste, comme illustr ci-dessous, acqurir des images ultrasonores l'aide d'une sonde chographique insre de faon coaxiale dans le transducteur HIFU sphrique mono-lment dont le rle est de focaliser les ultrasons sur la tumeur en mouvement. Grce aux donnes des images acquises par la sonde chographique, le mouvement est estim en utilisant un algorithme de corrlation croise des signaux ultrasonores. En fonction du mouvement estim, une commande est envoye au robot afin qu'il modifie la position de la sonde chographique et du transducteur HIFU, attachs tous deux l'effecteur du robot. Ce processus s'effectue itrativement, de faon automatique, en temps rel, tout au long du traitement par HIFU.

Figure 2 : schma du systme HIFU robotis

2.1 Mthode d'estimation de mouvement La mthode d'estimation du mouvement utilise dans notre systme se base sur le

phnomne de tavelure, appel aussi speckle, prsent dans les images RF filtres spatialement (beamforming). Ces dernires n'ayant pas subi l'tape de compression, la diffrence des images B-mode classiquement utilises en US clinique, le speckle, qui rsulte des interactions entre les ultrasons et les microstructures de l'organe, permet de suivre le mouvement dans n'importe quelle sous-rgion de l'image sans avoir besoin de dfinir et dutiliser une cible particulire. Afin d'estimer le mouvement du speckle en temps rel, nous avons utilis une mthode de corrlation croise rapide ( fast NCC ) entre le signal ultrasonore RF acquis et un signal de rfrence, base sur des tables d'oprations pr-calcules [Fast Normalized Cross Correlation for motion estimation, Luo et Konofagou, IEEE T ULTRASON FERR, 2010].

2.2 Systme dasservissement visuel 3D Afin de garder constante la distance entre le transducteur HIFU et la tumeur cible, un systme

d'asservissement visuel 3D a t dvelopp. Il fonctionne une frquence de 20 Hz correspondant la frquence d'acquisition des images ultrasonores. La sonde chographique qui acquiert les images est monte sur l'effecteur du robot dans une configuration eye-in-hand (camra embarque). Cette configuration permet directement d'estimer (grce l'algorithme fast NCC ) le mouvement rsiduel correspondant l'erreur de compensation du systme d'asservissement.

2.3 Squence d'alternance HIFU/imagerie Une squence alternant des priodes d'exposition HIFU et des priodes d'imagerie a t

mise en place afin d'viter les interfrences d'ondes ultrasonores mises par le transducteur HIFU et la sonde chographique. L'efficacit du traitement est maintenue malgr cette alternance grce un rapport cyclique lev d'environ 80 %.

3. Rsultats

3.1 Compensation du mouvement 1D pendant lexposition HIFU Afin de dmontrer la faisabilit et l'efficacit de la compensation du mouvement 1D, une

exprience a t mene sur un fantme compos d'une poitrine de poulet enrobe de glatine. Un mouvement vertical sinusodal a t impos au fantme pendant son exposition aux ultrasons focaliss de haute intensit.

Figure 3 : Lsions obtenues par HIFU dans le cas d'un fantme immobile (1), en mouvement (2) et en mouvement compens (3)

La faible tendue de la lsion obtenue pendant la compensation (lsion 3) et sa quasi-

similitude avec la lsion obtenue alors que le fantme tait immobile (lsion 1) atteste de la prcision du traitement par HIFU quand le mouvement est compens.

3.2 Compensation du mouvement 2D

La compensation d'un mouvement 2D a t teste in vitro en imposant au fantme un mouvement vertical sinusodal. La sonde chographique a t incline de faon dcomposer le mouvement de la cible en deux composantes axiale et latrale dans limage. Les premiers tests de compensation ont donn les rsultats suivants : une rduction du mouvement de 82% en axial et de 67% en latral ont t obtenues avec le correcteur proportionnel ; une rduction de 98 % environ, en latral comme en axial, a t obtenue avec le correcteur rptitif

4 Conclusion

La faisabilit du systme HIFU robotis a t dmontre in vitro pour un mouvement sinusodal. La rduction du mouvement obtenue est significative pour un mouvement 1D comme pour un mouvement 2D. L'effet bnfique de la compensation de mouvement 1D sur le traitement par HIFU a t confirm. Le correcteur rptitif tant plus performant mais mal adapt aux mouvements non priodiques, nous suggrons de lutiliser dans le cas dune anesthsie gnrale o le mouvement respiratoire du patient est totalement rgulier. Le correcteur proportionnel pourrait quant lui tre utilis dans le cas dune anesthsie locorgionale o le mouvement respiratoire nest pas toujours rgulier.

Communications et publications Communications :

- Laure-Anas Chanel, Florent Nageotte, Jonathan Vappou, Jianwen Luo, Loc Cuvillon, Michel de Mathelin, Assistance to High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) therapy: Real-time motion compensation using ultrafast ultrasound imaging , Surgetica, Chambry, France, dcembre 2014

- Laure-Anas Chanel, Jonathan Vappou, Florent Nageotte, Jianwen Luo, Loc Cuvillon, Michel de Mathelin, Real-time motion compensation for High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) therapy using motion tracking by ultrafast ultrasound imaging , ISTU, Utrecht, Pays-Bas, avril 2015 Communication avec actes: - Laure-Anas Chanel, Florent Nageotte, Jonathan Vappou, Jianwen Luo, Loc Cuvillon, Michel de Mathelin, Robotized High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) system for treatment of mobile organs using motion tracking by ultrasound imaging: An in vitro study EMBC, Milan, Italie, aut 2015