UNIVERSITATEA „AL.I.CUZA”FACULTATEA DE FIZICATEHNICI DE DIAGNOZA SI TRATAMENT CU ULTRASUNETE

ULTRASUNETE FOCALIZATE DE MARE INTENSITATE FOLOSITE IN

MEDICINA

REALIZATOR: BADITA ANDREEA-IOANA, ANUL III

GENERALITATI

Ultrasunetele focalizate de inalta intensitate( High-intensity focused ultrasound – HIFU, sau cateodata FUS, FOCUSED ULTRASOUNDS) este o procedura medicala foarte precisa ce aplica energia termica a ultrasunetelor focalizate de inalta intensitate pentru a incalzi local zona de interes, in scopul distrugerii tesuturilor bolnave sau deteriorate, prin metoda ablatiei.

HIFU este o terapie hipertermica, o clasa de terapii clinice ce foloseste temperatura ridicata pentru a trata bolile. HIFU este de asemenea, o modalitate prin

care ultrasunetele sunt folosite in terapie, ce implica metode minim invazive sau neinvazive in scopul redirectionarii energiei acustice in corp. In plus fata de ultrasunetele focalizate de mare intensitate, alte metode includ administrarea medicamentoasa asistata de ultrasunete, hemostaza cu ultrasunete, litrotritie cu ultrasunete si tromboliza asistata de ultrasunete. Principiul de functionare se bazeaza pe folosirea ultrasunetelor (US) pulsate pentru distrugerea tesuturilor, prin emiterea unor cantitati mari de energie la nivelul acestora. Desi la prima vedere US sunt utilizate in examenele ecografice (o metoda imagistica complet neinvaziva), totusi cand sunt folosite unde de intensitate crescuta si acestea sunt directionate (concentrate) intr-un singur punct, aceastea devine distructiva (frecventa este de 1 milion de impulsuri electrice / sec = 1 Mhz)

Procedurile clinice ce utilizeaza ultrasunetele de inalta intensitate sunt efectuate, de obicei, impreuna cu proceduri de trasare a imaginii, pentru a permite planificarea tratamentului si marcarea tesutului bolnav, inaintea aplicarii ultrasunetelor terapeutice sau a nivelelor de energie ablative ale acestora.

Atunci cand este folosita imagistica prin rezonanta magnetica in scopul orientarii ultrasunetelor, tehnica poarta numele de ultrasunete focalizate de inalta intensitate orientate de rezonanta magnetica ( Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound, MRgFUS sau MRgFUS). In momentul folosirii ecografiei de diagnostic, tehnica poarta numele de ultrasunete de orientare a ultrasunetelor focalizate de inalta intensitate( Ultrasound-guided Focused Ultrasound, USgFUS sau USgHIFU).

In prezent, ultrasunetele focalizate de inalta intensitate orientate de rezonanta magnetica este o metoda terapeutica in scopul tratarii fibroamelor uterine in : Asia, Australia, Canada, Europa, Israel si Statele Unite ale Americii. Ultrasunetele ghidate pentru ultrasunetele focalizate de inalta intensitate este o tehnica aprobata pentru utilizare in tari precum : Bulgaria, China, Hong Kong, Italia, Japonia, Korea, Malaezia, Mexico, Polonia, Rusia, Romania, Spania si Marea Britanie. Cercetari sunt in curs de desfasurare in scopul aflarii unor alte indicatii in legatura cu aceste metoda, inclusiv studiile clinice de evaluare a eficacitatii ultrasunetelor focalizate de mare intensitate pentru tratamentul cancerului de creier, de san, de ficat, de os si de prostata. In acest moment, aparatele ce utilizeaza ultrasunetele focalizate de inalta intensitate fara tehnicile de imagistica de orientare sunt aprobate pe pietele din Statele Unite ale Americii, Canada, Europa, Australia si cateva tari din Asia in scopul tehnicilor de sculptare corporala.

TEORIE

Ultrasunetele pot fi concentrate, fie printr-o lentila ( de exemplu, o lentila din polistiren), printr-un traductor curbat sau printr-o matrice pe etape ( sau orice combinatie intre cele trei mentionate) intr-o zona focala mic, printr-o metoda similara cu concentrarea luminii printr-o lupa intr-un punct. Folosind un model exponential de atenuare a ultrasunetelor ( de exemplu, intensitatea undelor ultrasonore este delimitata de o functie exponentiala descrescatoare unde scaderea undelor ultrasonore este functie a distantei parcurse prin tesut), se poate scrie:

, unde I0 este intensitatea razei incidente de luminca, α, este coeficientul de atenuare, masurata in m-1, si z, este distanta parcursa prin mediul de atenuare.

In acest model, , este o masura a densitatii de putere de

absorbtie a caldurii dindomeniul ultrasunetelor. Uneori, SAR este de asemenea folosita pentru a exprima cantitatea de caldura absorbita de un mediu specific si este egala cu Q/Q pe densitatea tisulara. De asemenea acest lucru demonstreaza ca incalzirea tesutului este direct proportionala cu intensitatea, iar intensitatea este invers proportionala cu suprafata peste care acel fascicul de ultrasunete este raspandit, aceasta fiind cauza pentru care focalizarea fasciculului de ultrasunete se face intr-un unghi ascutit(de exemplu, cresterea intensitatii fasciculului de raze ultrasonore) creaza o crestere rapida a temperaturii in punctul de focalizare.

Cantitatea de daune provocate in tesut poate fi calculata folosind Metoda minutelor echivalente insumate ( Cumulative Equivalent Minutes, sau CEM). Mai multe formulari ale ecuatiei CEM au fost sugerate de-a lungul anilor, dar ecuatia utilizata in prezent pentru cele mai multe cercetari legate de ultrasunetele focalizate de inalta intensitate(HIFU) provine dintr-o teza scrisa de Dewey si Sapareto:

, fiind integrata pe timpul de tratament, R ia valorile

de 0.5, atunci cand temperaturile sunt peste 430C si 0.25 pentru temperaturi intre 430C si 370C, temperatura de referinta fiind la 430C, iar timpul fiind exprimat in minute. Aceasta formula este una empirica, derivata din experimentele efectuate de Dewey si Sapareto prin masurarea culturilor de celule supravietuitoare dupa expunerea acestora la caldura.

FOCALIZAREA

Fasciculele de ultrasunete pot fi concentrate prin aceste moduri:

- Geometric, de exemplu cu o lentila sau cu un traductor sferic curbat;- Electronic, prin ajustarea fazelor relative ale elementelor componente

intr-o serie de traductoare( o matrice pe etape). Prin ajustarea dinamica , semnalele elctronice pentru elementele unei matrici pe etape, fasciculul poate fi condus in locuri diferite, si aberatiile din fasciculul de ultrasunete pot fi corectate.

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE A ULTRASUNETELOR FOCALIZATE DE INALTA INTENSITATE

Cum o unda acustica este propagata prin tesut, o parte din aceasta este absorbita si transformata in caldura. Cu fasciculele de unde ultrasonore focalizate, o zona foarte mica, concentrata se poate realiza adanc, in interiorul tesutului( de obicei de ordinul milimetrilor, cu forma fasciculului de unde ultrasonore fiind una de „trabuc” in zona focala, acolo unde fasciculul de unde este mai lung decat mai lat, de-a lungul axei traductorului ). Daunele provocate tesutului apar ca o functie, atat de temperatura la care ajunge tesutului incalzit cat si de intervalul de timp la care acesta a fost expus, aceasta fiind denumita doza termica.

Prin focalizarea fasciculului de ultrasunete in mai multe zone sau prin scanarea zonelor de focalizare, un volum poate fi inderpatat termic. La intensitati acustice destul de inalte, pot aparea cavitati( microbule ce se formeaza si interactioneaza cu campul undelor ultrasonore). Microbulele produse in camp oscileaza si cresc( datorita unor factori, precum difuzia rectificata), si, la un moment dat, aerul patrunde rapid printre peretii microbulei, cand acestia se distrug, fenomen ce poarta numele de implozie( cavitate inertiala sau tranzitorie). In timpul cavitatii inertiale, apar temperaturi foarte mari in interiorul bulei, iar colapsul este asociat unei unde de soc ce pot rani tesutul tisular. Deoarece formarea cavitatii si a tesuturilor tisulare deteriorate pot fi neprevizibile, in general, au fost evitate in aplicatiile clinice. Totusi, fenomenul de cavitate este cercetat in prezent, in scopul imbunatatirii ultrasunetelor focalizate de inalta intensitate si pentru alte aplicatii.

MOD DE UTILIZARE

In terapia cu ultrasunetele focalizate de inalta intensitate, fasciculele de ultrasunete sunt focalizate pe tesutul deteriorat, si datorita depozitarii energiei destul de semnificative, temperatura din interiorul tesutului poate ajunge de la 650C pana la 850C, distrugand tesutul deteriorat prin necroza de coagulare. Temperaturile mai mari sunt de obicei evitate in scopul prevenirii fierberii lichidelor din interiorul tesuturilor. Fiecare focalizare a fasciculelor de unde ultrasonore trateaza teoretic o portiune definita foarte precis din tesutul de

interes, desi in practica, apare fenomenul de „pete reci” ( cauzate, printre altele, de perfuzarea sangelui in interiorul tesutului), distorsionarea fasciculului de ultrasunete, si nefocalizarea acestuia corecta, toate fiind impedimente in controlarea decisiva a tratamentelor. Intregul obiectiv terapeutic este tratat prin deplasarea aplicatorului pe bratul robotic al aparatului in scopul juxtapunerii mai multor puncte de focalizare in conformitate cu anumite protocoale stabile de catre medic. Aceasta tehnologie poate realiza indepartarea precisa a tesuturilor deteriorate, prin urmare, este uneori numite, „chirurgie HIFU” sau „chirurgie HIFU neinvaziva”. Anestezia nu este necesara, insa, in general, este recomandata. Tratamentul poate fi combinat cu radioterapie sau chimioterapie.

APLICATII

FIBROAME UTERINE

Dezvoltarea acestei terapii a extins, in mod semnficativ, gama de optiuni de tratament pentru pacientii care sufera de fribom uterin. Tratamentul pentru fibrom uterin a fost aprobat de FDA( FOOD AND DRUG ADMINISTRATION) in octombrie 2004. Aceasta este o optiune de tratament neinvaziv pentru pacientii care sufera de fibroame uterine simptomatice. Cei mai multi pacienti care beneficiaza de HIFU, ameliorarea simptomatica este sustinuta pentru inca doi ani in plus fata de optiunile de tratament existente deja pe piata. Pana la 16-20% dintre pacienti necesita tratament suplimentar.

ALTE TUMORI BENIGNE

Si alte tumori benigne au beneficiat de tratamentul prin HIFU, cum ar fi tumorile benigne de la nivelul gatului si tumorile benigne mamare.

Primul dispozitiv HIFU ce a primit eticheta CE in 2007 pentru tratarea nodulilor tiroidieni benigni, indepartarea glandelor hipertrofice paratiroidiene si , in 2012, indepartarea fibroadenoamelor de la nivelul sanilor a fost ECHOPULSE.

NEUROCHIRURGIE FUNCTIONALA

Chirurgia cu ajutorul ultrasunetelor focalizate de mare intensitate ghidate de rezonanta magnetica intracraniana ( chirurgie tcMRgFUS) este o tehnologie noua si foarte promitatoare pentru tratarea neinvaziva a diferitelor tulburari la nivelul creierului cum ar fi, tremuratul benign, simptomele neuropatice si boala Parkinson. Impreuna cu precedentele clinice si preclinice stabilite pentru siguranta, eficacitatea si reproductibilitatea chirurgiei cu ajutorul ultrasunetelor focalizate de inalta intensitate ghidate prin rezonanta magnetica in scopul tratarii fibroamelor uterine, metastazele ososase dureroase, afectiunile prin hipertrofie glandulara multipla( adenomioza), tumorile la nivelul sanilor, si a altor conditii, aceasta tehnica pentru tulburarile craniene ar putea deveni pe cat de promitatoare, pe atat de perturbatoare in domeniul neurochirurgiei.

Tulburarile neurologice, cum ar fi , tremorul benign, simptomele neuropatice si boala Parkinson afecteaza milioane de oameni in intreaga lume si poate cauza pierderi semnificative de functionalitate, suferinta si dependenta medicamentoasa, afectand intr-un mod negativ calitatea vietii pacientului si a celor care raspund de ingrijirea acestora. Pentru pacientii care nu raspund la tratamentul medicamentos, proceduril, in scopul tratarii acestora, includ stimularea profunda a creierului, ablatia prin radiofrecventa, chirugia printr-o fractiune de doza de radiatie asupra unei regiuni intracraniene de interes, care sunt fie invazive, sau implica radiatii ionizante. Acestea sunt asociate cu riscuri recunoscute precum: fie doze mari de radiatii ionizante, sau risc crescut de complicatii si efecte secundare. Chirurgia cu ajutorul ultrasunetelor focalizate de mare intensitate ghidate de rezonanta magnetica intracraniana ( chirurgie tcMRgFUS) poate oferi o alternativa neinvaziva pentru aceste tratamente, cu efecte secundare minime.

In prezent, se desfasoara teste clinice in Elvetia si la Universitatea din Virginia cu un dispozitiv numit ExAblate Neuro tcMRgFUS, creat de InSightec. Rezultatele preliminare au demonstrat abilitatea aparatului de a indeparta cu o foarte mare precizie tesuturile tinta pozitionate foarte adanc in interiorul creierului.

CANCERUL DE PROSTATA

Cea mai veche intrebuintare a indepartarii cu HIFU pe scara larga a fost pentru tratarea cancerului de prostata. Acest tratament este administrat printr-o sonda introdusa in portiunea terminala a intestinului gros, si se bazeaza pe caldura realizata de undele ultrasonore focalizate in interiorul prostatei, cu scopul de a „ucide” tumoarea. S-au observat rezultate promitatoare pentru acei pacienti care se pregateau de o tratare invaziva si foarte agresiva a cancerului de prostata. Aceste tratamente sunt efectuate sub indrumarea imaginisticii cu ultrasunete, ce permite planificarea tratamentului si cunostinte minime in vederea zonei de depunere a energiei. HIFU poate fi, de asemenea, folosit in scopul indepartarii intregii glande prostatei, folosind doar o sonda introdusa in portiunea terminala a intestinului gros. Aceasta este o procedura folosita in ambulatoriu care dureaza, in general, intre 1-3 ore. Rezultatele arata ca aceasta metoda de tratament reduce semnificativ efectele secundare obisnuite pentru alte tratamente folosite in tratarea cancerului de prostata.

In timpul tratarii cu HIFU, intreaga prostata este indepartata, inclusiv uretra prostatica. Uretra are capacitati regenerative deoarece este derivata dintr-un alt tip de tesut ( epiteliul scuamos- solzos- al vezicii ) decat cel al tesutului prostatic( tesut glandular, fibros si muscular). In timp ce uretra este o structura anatomica importanta, sfincterul si vezica urinara sunt mai importante pentru a mentine functiile urinare. In timpul tratarii cu HIFU, acestea sunt identificate si evitate.

DISPOZITIVE DISPONIBILE PENTRU TRATAMENTUL CANCERULUI DE PROSTATA

ABLATHERM ROBOTIC HIFU

Dezvoltat in 1989, in Franta, impreuna cu INSERM(FRENCH NATIONAL INSTITUTE OF MEDICAL RESEARCH), Spitalul Edouard Herriot din Lyon si EDAP TMS, a fost primul dispozitiv in tratarea cancerului de prostata. Tratamentele au inceput in 1993, si

din ianuarie 2010, mai mult de 21000 de tratamente au fost efectuate la nivel mondial.

SONABLATE 500

Dezvoltat la inceputul anilor ´90, pentru tratamentul hiperplaziei benigne de prostata (HPB), in Statele Unite ale Americii de MISONIX, apoi modificat pentru tratarea cancerului de prostata la sfarsitul anilor ´90- din ianuarie 2010, au fost efectuate un total mai mare de 9000 de tratamente pentru hiperplazia benigna de prosta si peste 7000 de tratamente pentru cancer de prostata.

HIFU-2001 (SUMO)

HIFU-2001 are aprobarea CFDA-ului ( CHINA DRUG AND FOOS ADMINISTRATION) si a fost utilizat clinic din 2001. In prezent, mai mult de 180 de centre de tratament prin HIFU sunt active in China, Honk Kong si Korea. Aceasta metoda nu necesita utilizarea anesteziei.

ALTE TIPURI DE CANCER

Metoda de tratament prin HIFU a fost aplicata cu succes in tratarea cancerului cu scopul distrugerii tumorilor solide ale oaselor, creierului, sanilor,ficatului, rectului, rinchilor, testiculelor si prostatei. In aceasta etapa, insa, tratamentele pentru cancer sunt inca in fazele de ancheta, intrucat exista o nevoie de a afla mai multe despre eficacitatea tratamentului.

Metoda HIFU ofera, insa, ingrijiri paliative, aceasta nesuprimand cauza aparitiei cancerului, ci doar ameliorand sau inlaturand simptomele pentru un timp scurt. Ea a fost aprobata de catre CE pentru ingrijirea paliativa a cancerului la os metastatic. Experimental, s-a observat un efect paliativ a cancerului pancreatic avansat.

Tehnologia HIFU poate fi folosita pentru a crea temperaturi ridicate, nu neaparat pentru a trata cancerul singura, ci impreuna cu eliberarea unor medicamente marcate pentru cancerul ce trebuie tratat.

FURNIZAREA DE MEDICAMENTE LA NIVELUL CREIERULUI

In cercetarile prezente, HIFU este folosit pentru a deschide temporar bariera hematoencefalica la rozatoare si primate , permitand absorbtia medicamentelor in creier. Acesta este cel mai eficient atunci cand

est utilizat in combinatie cu un adjuvant in blocarea canalelor de calciu cum ar fi verapamil-ul.

TRATAMENTUL FIBRILATIEI ATRIALE

Tehnologia HIFU a fost utilizata in scopul tratarii celei mai frecevente aritmii cardiace, fibrilatia atriala. Un sistem bazat pe un cateter minim invaziv conceput pentru indepartarea tesutului cardiac responsabil

pentru propagarea fibrilatiilor atriale a fost aprobat pentru utilizare in Europa, si se trece printr-o faza III de studiu al eficacitatii aprobata de FDA in Statele Unite.

MEDICINA ESTETICA

Dispozitivele HIFU au fost aprobate pentru tratarea tesutului adipos subcutanat, in scopul conturarii corpului( cunoscut sub numele colocvial, si incorect, ca „liposuctie neinvaziva”). Aceste dispozitive sunt disponibile in SUA, Canada, UE, si anumite tari din Asia. Tehnologia HIFU, a fost deasemenea aprobata pentru lifting-ul de sprancene, folosit insa cu un nivel de energie mai mica. Un aspect atractiv al acestor tratamente este faptul ca, spre deosebire de tratamentele pentru cancer utilizand tehnologia HIFU, nu exista probleme de rambursare, deoarece acete proceduri sunt platite direct de catre pacient.