Utilisateur:Wikimavi2014/Imagerie bi-modalité IRM-ultrasons

Le traitement par Ultrasons Focalisés à Haute Intensité guidés par IRM est une technique d’ablation non invasive de certains tissus et notamment de fibrômes utérin ou de tumeur à la prostate.

Historique

Phase de recherche

Les premières recherches concernant les Ultrasons Focalisés à Haute Intensité ont été éffectuées par Lynn et al. au début des années 40. D’important travaux ont été réalisés pendant les années 50 et 60 par William Fry et Francis Fry à l’Uuniversité de l’Illinois ainsi que par George Gardner de l’institut de recherche interscience de Champaign, II. Ces recherches ont permis d’élaborer des traîtements pour certains troubles neurologiques. Les ultrasons à haute instensité ainsi que la visualisation par ultrason étaient effectuée de manière stéreotaxique avec une fraiseuse de précision Cincinnati dans le but d’éliminer les tumeurs du cerveau. A cause de la difficulté à localiser et cibler les zones avec le faisceau ainsi que la complexité d’une telle intervention, le nombre d’ablations utilisant les HIFU était encore très faible jusqu’à recemment. On doit l'engouement actuels aux récentes avancées en imagerie médicale ainsi que dans les technologies à ultrason.

Premières mises à disposition clinique et commercialisation

L’utilisation du guidage par IRM dans les HIFU a été citée et brevetée pour la première fois en 1992. La technologie sera plus tard transférée a InsightTec en Israël en 1998. La première machine HIFU commercialisée, le Sonablate 200, a été développée par Focus Surgery et lancée en Europe en 1994. Des études approfondies réalisées par des praticiens avec cette machine ont pu démontrer l’efficacité de la destruction des tissus prostatique sans perte de sang ni effet secondaire sur le long terme. Le premier système d’ultrasons quidé par IRM à obtenir l’autorisation de mise en vente FDA aux états-unis est le InsightTec Exablate 2000 en 2004.

Technologie

Théorie

Cette technologie est appelée bi-modalité car elle fait appel à deux modalités d’imagerie différentes permettant ainsi de faire l’usage des avantages de chacune pour créer un moyen de traitement efficace. Tout d’abord, au coeur de cette technologie, réside l’utilisation des ultrasons pour créer un échauffement et, à terme, une nécrose des tissus ciblés. Les ultrasons sont des ondes sonores (acoustiques) dont la fréquence est supérieure à 20kHz, lorsque les tissus sont parcourus par ces ondes, une partie de l’énergie transportée par ces dernières est absorbée puis transformée en chaleur, générant ainsi une élévation en température. Cette énergie absorbée est fonction de l’intensité acoustique, représentant l’énergie reçue et le coefficient d'absorption du tissu ciblé. Lors d’une élévation en température des tissus, on observe des phénomènes de coagulation et de dénaturation des tissus. Ces différents phénomènes, dont l’intensité varie avec la température, peuvent causer aux tissus des dommages irréversibles à partir de 43°C si l’exposition dure assez longtemps.

Les dégats infligés aux tissus lors de cette exposition peuvent être modélisés en utilisant une valeur appelée CEM (Cumulative Equivalent Minutes). Il existe plusieurs façon de calculer cette valeur, mais l’équation la plus largement utilisée vient d’un papier publié par Dewey et Sapareto en 1984 :
$CEM=\int _{t_{0}}^{t}R^{T_{reference}-T}dt$

L’intégrale portant sur le temps d’exposition du tissu au rayonnement.R est un coefficient choisi d’après les expérience de Dewey et Sapareto, il est égal à 0.5 pour des températures supérieure à 43°C et 0.25 pour des températures entre 43°C et 37°C.

L’élévation thermique n’est pas le seul phénomène créé par l’exposition à des ultrasons de haute intensité, en effet, lors de leur propagation, les ondes ultrasonores entrainent succèssivement compression et dilatation sur les liquides contenus dans les tissus, dans lesquels se trouvent des microbulles de gaz. Ces dernières grossissent lors des phases de dilatation et sont comprimées lors des phases de compression. Ce phénomène est appelé cavitation et dépend de l’intensité et de la fréquence des ultrasons ainsi que du temps d’exposition. Si l’intensité des ondes acoustiques devient trop grande, ces bulles peuvent imploser, libérant ainsi des ondes de choc et des liquides à très haute température, pouvant causer des dommages imprévisibles aux tissus. Enfin, les ondes acoustiques se propageant dans les tissus peuvent entrainer des perturbations d’ordre mécaniques, entrainant des déplacements des tissus ciblés de l’ordre du micromètre.

Considérant les éléments précédemments détaillés, il apparait évident que pour adapter cette technique au médical, il faut à la fois obtenir une intensité de rayonnement permettant de réduire le temps d’exposition nécéssaire à la destruction des tissus ciblés, tout en limitant la fréquence des ondes utilisées afin d’éviter les phénomènes imprévisibles, mais il faut également s’assurer que ce phénomène sera cantonné à la zone caractéristique de la pathologie, afin de ne pas endommager des tissus sains.

Focalisation

Afin de régler les problèmes précédemment évoqués, les ultrasons vont donc être focalisés pour maximiser à la fois l’intensité, mais également la précision. Pour cela, les ultrasons utilisés dans cette méthode seront générés, dans la majorité des cas, par un transducteur ultrasonore sphérique. Le rayonnement va se focaliser au centre géométrique du transducteur, appelé aussi point focal, autour duquel va apparaitre une zone d’énergie maximale qui sera utilisée pour l’échauffement des tissus ciblés.

La fréquence des ondes générées va faire évoluer la dimension de la tâche (Fig. 1) de façon inversemment proportionnelle, ainsi, en déplaçant à la fois le transducteur (ou réseau de transducteur pour créer un ensemble de tâches focales), et en modifiant la fréquence, on peut adapter le rayonnement pour atteindre la cible choisie.

Guidage

Mais pour pouvoir choisir la cible, encore faut-il savoir la localiser, et c’est là le rôle principal de l’IRM dans l’utilisation de cette technique. En effet, grâce à l’imagerie par résonnance magnétique de haute qualité, on peut non seulement localiser la zone ciblée avec précision, mais également, en faisant appel aux différentes coupes donnant ainsi une vision en trois dimensions, analyser le chemin que vont emprunter les ondes acoustiques focalisées et ainsi prévoir l’impact possible sur les tissus traversés (Fig. 2).

La localisation spatiale n’est pas le seul facteur d’intérêt dans l’utilisation de cette technique. Comme mentionné précédemment, les tissus ciblés sont détruits par l’élévation de la température après un certain temps d’exposition. Afin de pouvoir précisément suivre l’évolution de la température de la zone ciblée, mais également de la propagation de la chaleur aux zones avoisinantes, l’IRM est également utilisée pour suivre l’évolution en température des tissus. En effet, en fonction de la température, les temps de relaxation des liquides au sein des tissus mesurés par l’IRM pour produire l’image sont fortement modifiés, ainsi, on peut suivre par la modification du contraste l’évolution de la température de la zone de focalisation des ultrasons et ainsi augmenter encore la précision de la technique lors de son utilisation dans le domaine médical.

Interférence

Comme dans toutes les technologies faisant appel à deux modalités différentes, on se retrouve dans le cas présent avec l’utilisation de deux types d’ondes, à des fréquences différentes. L’IRM, et donc les ondes électromagnétiques sont censés avoir une fréquence dépassant les 60 MHz, alors que les ultrasons thérapeutiques utilisent des fréquences comprises entre 300 kHz et 3 MHz, il ne devrait donc, en théorie, pas il y avoir d’interférences. Cependant, on remarque que les ondes électromagnétiques présentent des harmoniques à proximité de la fréquences des ultrasons thérapeutiques, entrainant ainsi des interférences pouvant impacter la précision de la technique.

Dispositifs et appareils utilisés

Afin de rendre cette technique utilisable dans le milieu thérapeutique, il faut qu’il existe un dispositif qui puisse être utilisé lors de l’intéraction avec des patients. Il existe différents appareils et différents dispositifs en fonction des pathologies, bien que la principe technique d’origine soit identique (Fig. 3).

On citera les 3 machines les plus célèbres pour ce type de traitement : Tout d’abord l’ExAblate Neuro et l’ExAblate 2000 (ou ExAblateOR), produits par Insightec et utilisés dans le cas des traitements de pathologies respectivement liés au cerveau et à l’utérus (Fig. 4 et Fig. 5), Mais aussi la machine Focal One, produit par EDAP TMS, et spécialisé dans les traitements de pathologies liées à la prostate.

Applications thérapeutiques

Les applications thérapeutiques des ultrasons focalisés guidés par résonance magnétique sont variées. L’intérêt principal de cette méthode est le côté non-invasif de cette opération. De plus, elle présente très peu d’effets secondaires contrairement aux traitements médicamenteux ou chirurgicaux. Le processus de traitement est différent de celui du diagnostique dans le sens où les fréquences utilisées sont plus basses (de 300kHz à 3Mhz) et la puissance énergétique est nettement plus élevées. Les principaux traitements mise en œuvre concernent l’utérus, la prostate et le cerveau. Néanmoins on voit aussi apparaître des traitements le foie, le pancréas et les reins.

Neurochirurgie

Une utilisation visée par les ultrasons focalisés avec guidage par IRM est le traitement de tumeurs intracrâniennes de types : métastases cérébrales, méningiomes de la base du sinus caverneux et du clivus, neurinomes de l’acoustique, chordomes du clivus et gliomes bien limités. Elle se positionne comme une alternative à la radiothérapie en remplaçant les faisceaux d’irradiation par des faisceaux d’ultrason pour créer une lésion thermique. L’avantage de la nouvelle méthode est que l’effet thérapeutique est immédiat. La taille de la lésion ne pose pas de problème, il faut par contre qu’elle soit clairement délimitable. D’autres pathologies intracrâniennes que les tumeurs peuvent bénéficier de cette technique : les douleurs, l’épilepsie et la maladie de Parkinson. Contrairement aux autres parties du corps, le cerveau est plus difficile à atteindre par les ultrasons car il est protégé par une barrière osseuse qui est la boîte crânienne. Elle induit une atténuation et de fortes distorsions du faisceau ultrasonore due à plusieurs mécanismes : réfléchissement des faisceaux sur l’os, absorption d’une partie de l’énergie acoustique entraînant un échauffement de la paroi osseuse, distorsion du faisceau à cause de la variation des propriétés acoustiques empêchant sa focalisation. Ces difficultés expliquent que les premières ondes focalisées à hautes intensités ont été couplées avec une craniotomie pour la thérapie transcrânienne. Secondairement la méthode a évolué vers un protocole non invasif qu’est la tomodensitométrie du crâne. Grâce à cette technique donnant des images 3D, on peut déduire les propriétés acoustiques du crâne puis simuler la propagation des ondes à l’intérieur (Fig. 6).Cette simulation permet donc de corriger les effets de la barrière osseuse de façon non-invasive. Pour éviter l’échauffement excessif du crâne, on peut répartir un réseau multi transducteur sur une large surface du crâne et mettre en place un refroidissement actif du scalp par de l’eau froide qui circule autour de la tête. Le guidage par résonance magnétique joue aussi un rôle dans le traitement intracrânien. Comme pour les autres applications, elle permet avant tout le contrôle du traitement. Elle permet une visualisation de la zone ciblée grâce à des séquences conventionnelles (T1, T2), ainsi qu’une surveillance de la température avec des images thermosensibles en temps réel. Après le traitement, l’IRM permet de vérifier la production d’une lésion thermique notamment avec des séquences conventionnelles, de diffusion ou élastographique.

Fibrome utérin

Le traitement du fibrome utérin suivant la méthode des ultrasons focalisés monitorés par IRM est l’application qui fait le plus parler d’elle car le fibrome utérin est la tumeur bénigne la plus fréquente chez la femme avant la ménopause. L’objectif est de dévasculariser le fibrome pour éviter les symptômes et réduire sa taille. La durée de la procédure est variable selon la taille et le nombre des fibromes à traiter. Il faut compter environ 3 heures pour un fibrome de 8 cm. Le résultat ne sera pas une disparition complète du fibrome, mais plutôt une réduction du volume tumoral de 15% à 33%, 6 mois après le traitement. L’avantage de traiter le fibrome utérin avec cette méthode est que la patiente la supporte bien et peut remarquer un soulagement immédiat avec une amélioration des symptômes. De plus, la patiente ne ressent pas de douleurs postopératoires et comme un faible taux de complication est observé, elle peut reprendre rapidement le travail. Elle va aussi pouvoir éviter de subir une intervention chirurgicale et conserver son utérus en l’état, ce qui est important si la patiente possède toujours des désirs de grossesse.Le Collège National des Gynécologues-Obstétriciens de France reconnaît les résultats encourageant de cette nouvelle technologie présente depuis 2007 dans le pays, mais ne l’a pas encore inscrite dans ses recommandations. Ils demandent à continuer les recherches. C’est pourquoi pour bénéficier de ce traitement, la patiente doit être incluse dans un protocole de recherche. Une sélection des profils est faite suivant certains critères : un âge supérieur à 18 ans, un désir de grossesse et d’une méthode non invasive, une taille d’utérus inférieure à 13 cm de haut, des fibromes symptomatiques, pas de contre-indications à l’IRM, pas de cicatrice abdominale importante centrale, mois de 5 fibromes, la distance peau-partie postérieure ne doit pas excéder 12 cm (Fig. 7) et enfin la taille du fibrome doit être compris entre 5 et 12 cm (il ne doit pas dépasser 500 cc par traitement).

Les fibromes en iso- ou hypersignal T2 sont moins faciles à traiter et il ne faut pas de présence de structures absorbant les ultrasons focalisés sur le trajet incident. La sélection est donc importante : sur une étude réalisée à Tours environ 10% seulement des dossiers présentés ont été retenus. Les femmes qui ne satisfont pas les critères, les autres méthodes possibles pour ne plus être gêné par les fibromes restent l’hystérectomie et la myomectomie. L’ablation ou la destruction du fibrome s’oppose alors à la simple diminution de taille de cette tumeur bénigne.

Prostate

La prostate est aujourd’hui l’organe le plus traité par les ultrasons focalisés guidés par résonance magnétique car il a montré un contrôle local et une survie comparable à ceux obtenus par la chirurgie, et un moindre taux de complication. Actuellement, près de 80 % des cancers de la prostate sont soignables, mais le traitement est lourd : chirurgie ou radiothérapie. La prostate est traitée dans sa totalité, ce qui entraîne par exemple des risques élevés d'incontinence urinaire. Ainsi, ce nouveau traitement représente une alternative aux thérapies radicales du cancer de la prostate et une nouvelle option curative pour les patients dans l’impasse suite à une récidive après radiothérapie ou curiethérapie. Le nouveau traitement consiste à transmettre des ultrasons focalisés à travers une sonde rectale pour tuer une tumeur dans la prostate.

Concrètement une fois la tumeur détectée, l’IRM permet aux chirurgiens de cibler les ultrasons plus précisément sur la tumeur et de délimiter la zone à détruire, tout en pouvant ajuster en temps réel. Les ultrasons sont émis directement sur la zone de la prostate atteinte par le cancer, tout en épargnant les tissus sains à proximité. Les risques d’incontinence et d’impuissance sont alors réduits (respectivement de 10% et 50% pour une chirurgie classique). On peut répéter le traitement si besoin car il n’y pas de dose maximale dans cette nouvelle procédure sous anesthésie locorégionale, contrairement à la radiothérapie.

On peut aussi l’utiliser pour faire une ablation complète de la prostate. Dans ce cas là, même l’urètre prostatique subit l’ablation. Néanmoins ce dernier a des propriétés régénératives car il est dérivé d’un type de tissue différent de celui de la prostate. Cependant durant l’opération, il faut éviter le sphincter et le col de la vessie car ils sont très importants pour maintenir les fonctions urinaires avec l’urètre.