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Evaluation of a Multimodal Confocal Therapeutic Focused Ultrasound Apparatus: Bridging Cavitation, Thermal Ablation, and Histotripsy in Preclinical Treatments - 10/09/24

Doi : 10.1016/j.irbm.2024.100861 
Myléva Dahan a, Maxime Lafond a, , R. Andrew Drainville a, Victor Delattre a, Marine Simonneau a, Françoise Chavrier a, Cyril Lafon a, Marion Cortet a, b, Frédéric Padilla a, c, d
a LabTAU, INSERM, Centre Léon Bérard, Université Claude Bernard Lyon 1, Univ Lyon, F-69003, LYON, France 
b Service de Gynécologie Obstétrique, Hôpital de la Croix Rousse, Hospices Civils de Lyon, F-69004, LYON, France 
c Focused Ultrasound Foundation, Charlottesville, VA, USA 
d Department of Radiology, University of Virginia School of Medicine, Charlottesville, VA, USA 

Corresponding author at: LabTAU, Inserm U1032, 151 Cours Albert Thomas, Lyon, 69003, France.LabTAUInserm U1032, 151 Cours Albert ThomasLyon69003France
Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Tuesday 10 September 2024
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Abstract

Objectives

The development of versatile and user-friendly preclinical platforms is vital for therapeutic ultrasound research. We introduce a flexible ultrasound-guided focused ultrasound (FUS) platform with two confocal therapeutic transducers, allowing thermal and mechanical modalities, and present its design and, features, with validation of potential applications in preclinical studies.

Methods

The probe's acoustic properties, energy delivery efficiency, and thermal and mechanical modalities are characterized. A computational model predicts thermal effects while optimizing treatment parameters. Ex vivo tissue samples are used to validate system performance, safety, and usability. In vivo experiments on mice with MC38 tumors are presented with immunohistochemistry (IHC) to validate treatment outcomes.

Results

Electroacoustic conversion efficiency levels were 80% and 40% for 1.1 MHz and 3.3 MHz, respectively. Confocal therapy transducers at 1.1 MHz and 3.3 MHz successfully demonstrated cavitation histotripsy and thermal treatments. At 1.1 MHz, for histotripsy, −20 MPa negative peak pressure is achieved, while at 3.3 MHz used for thermal ablation a maximum of 35 MPa is reached for positive peak pressure. Numerical analysis provides thermal treatment planning, aligning with in vitro and in vivo experiments for lesion prediction. Real-time in vivo cavitation monitoring was consistent with in vitro chemical dosimetry, ensuring treatment uniformity.

Conclusion

The ultrasound platform induces thermal or mechanical lesions with precise spatial resolution, validated by IHC tissue characterization. Integrated cavitation monitoring enables real-time treatment monitoring. Coupling with thermal simulations provides optimization of thermal treatment parameters. This versatile”all-in-one” therapeutic platform supports multiple treatment modalities including cavitation, thermal ablation, and histotripsy, facilitating direct comparisons to assess their efficacy in diverse therapeutic settings.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Versatile ultrasound platform using either the fundamental or the third harmonic.
Treatment modalities: Cavitation, thermal ablation, and histotripsy.
Simulations allowed prediction of thermal lesions.
Thermal and mechanical lesions were validated in vivo on histology.
Will allow comparison between ultrasound modalities, and their combination.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Ultrasound platform, HIFU, cavitation, thermal ablation, histotripsy, preclinic device, confocal, multi modal therapeutic ultrasound


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