Rapport de recherche : Étude de faisabilité de l’ablation par ultrason focalisé intracrânien sous guidage échographique à travers un implant crânien en polyoléfine

Contexte académique

L’histotripsie est une technologie d’ablation tumorale cancéreuse non thermique et non invasive. Lorsqu’elle est appliquée au processus intracrânien, elle est limitée par l’absorption et la réflexion significatives des ondes ultrasonores par les os du crâne, nécessitant l’utilisation de transducteurs à réseau complexes et de grande taille pour surmonter ce problème. Pour résoudre ce goulot d’étranglement, un implant crânien biocompatible à base de polyoléfine a été développé dans le but de réduire la distorsion des ondes ultrasonores en entrant dans l’espace intracrânien. Cependant, la faisabilité de cette méthode pour des traitements par ultrason focalisé de haute intensité (tels que l’histotripsie) n’a pas encore été pleinement validée.

Source et informations sur les auteurs

Cette étude a été rédigée par Lauren Ruger, Maya Langman, Renata Farrell, John H. Rossmeisl, Francesco Prada et Eli Vlaisavljevich, avec tous les auteurs affiliés au Virginia Polytechnic Institute and State University et d’autres instituts de recherche associés. Ce papier a été accepté par l’IEEE Transactions on Biomedical Engineering et sera officiellement publié en 2024.

Processus de recherche

Conception de l’étude

L’étude se divise en trois composants principaux : premièrement, mesurer l’impact du transducteur élémentaire à différentes fréquences et angles à travers l’implant crânien ; puis, étendre cela à des réseaux de transducteurs multivariés afin de déterminer les effets de perte de pression et de distorsion du foyer dans des conditions de test cliniquement plus pertinentes ; enfin, vérifier la capacité à générer des nuages de cavitation dans l’eau et les gels simulant les tissus via l’imagerie optique, et mener des expériences d’ablation utilisant des échantillons de globules rouges simulés et du tissu cérébral de porc.

Expériences avec le transducteur élémentaire

Des transducteurs élémentaires personnalisés de 500 kHz, 1 MHz et 3 MHz ont été utilisés pour mesurer les formes d’onde de pression. Les transducteurs élémentaires ont été testés à des angles de 90°, 120° et 135° pour simuler les conditions d’utilisation clinique des réseaux de transducteurs. Les résultats montrent que la perte de pression augmente avec la fréquence et l’angle, et la vitesse de propagation du son mesurée dans différentes conditions était de 2472 m/s, 2234 m/s et 2082 m/s respectivement.

Expériences avec les réseaux de transducteurs multivariés

En utilisant des réseaux de transducteurs de 8 et 16 éléments, les essais simulant des “faux crânes” ont montré que, dans toutes les conditions, la distorsion de transmission affectait considérablement la position du foyer des transducteurs. En appliquant une technique de correction de distorsion basée sur l’hydrophone, une partie de la pression perdue a été récupérée, atteignant un maximum de 22 MPa.

Sujet de l’expérience et matériel utilisé

Toutes les expériences ont utilisé des implants crâniens en polyoléfine de 4 mm d’épaisseur. L’équipement utilisé comprend un générateur de pulses haute pression personnalisé, un positionneur robotique 3D de haute précision au micron près et divers types de transducteurs ultrasoniques.

Expériences d’imagerie optique et de simulation de globules rouges

En utilisant l’imagerie optique haute fréquence et des expériences de simulation de globules rouges, il a été découvert que, malgré la présence de l’implant crânien, le nuage de cavitation de l’histotripsie pouvait toujours se former dans l’eau et les gels simulants, bien que son processus de formation soit plus lent que dans des conditions de champ libre. Sur des échantillons simulés de globules rouges, malgré une perte de pression significative, une ablation efficace a été atteinte dans des conditions de haute fréquence.

Expériences avec le tissu cérébral de porc

En utilisant du tissu cérébral de porc obtenu d’un abattoir local, intégré dans de la gélatine dégazée pour les expériences, l’imagerie ultrasonore a révélé la formation claire des nuages de cavitation et la destruction complète du tissu sans structure cellulaire restante.

Résultats principaux

Les résultats expérimentaux de cette étude démontrent que les implants crâniens en polyoléfine peuvent servir de fenêtre acoustique, rendant possible l’application de l’histotripsie à l’intérieur du crâne. Bien qu’il y ait une perte de pression notable, en appliquant une technique de correction de distorsion basée sur l’hydrophone, une partie de la pression a été récupérée et une ablation efficace a été obtenue dans diverses conditions simulant des environnements biologiques.

Conclusion et importance

Les résultats de cette étude offrent la possibilité d’optimiser davantage la technologie de l’histotripsie guidée par ultrason, particulièrement dans des contextes où les ressources sont limitées ou lorsque l’imagerie par résonance magnétique (IRM) n’est pas disponible, pour le traitement des lésions intracrâniennes. Dans de futures recherches, il est nécessaire d’améliorer les dispositifs d’histotripsie ou d’adopter d’autres technologies, telles que l’histotripsie médiée par nanoparticules, pour augmenter la pression, améliorer l’efficacité de l’ablation et mener plus de recherches in vivo pour évaluer la sécurité et la faisabilité clinique.

Points saillants

1. Innovation de l’implant : Première démonstration de l’application des implants crâniens en polyoléfine, efficace non seulement pour l’imagerie ultrasonore mais aussi pour le traitement par ultrason focalisé de haute intensité.
2. Recherche sur la perte de pression à différents angles : Explication de la perte de pression sous différentes conditions de fréquence et d’angle, fournissant des bases pour la conception de transducteurs multivariés.
3. Technique de correction de distorsion basée sur l’hydrophone : Récupération partielle de la pression perdue, démontrant des méthodes pour améliorer les effets du traitement dans des applications réelles.

Autres informations de valeur

Cette recherche a été partiellement financée par la Focused Ultrasound Foundation et la American Kennel Club Canine Health Foundation. Une partie des membres de l’équipe de recherche a également des partenariats avec des entreprises liées, établissant les bases pour l’amélioration des équipements de recherche et des applications cliniques. De plus, les techniques de correction de distorsion mises en œuvre et les méthodes de génération de pulses haute fréquence utilisées dans cette recherche sont également de grande référence pour d’autres technologies de traitement par ultrason.