PL233294B1

PL233294B1 - Bimodal ultrasonic instrument for non-invasive destruction of solid neoplastic tumors in small animals

Info

Publication number: PL233294B1
Application number: PL422789A
Authority: PL
Inventors: Tamara Kujawska; Wojciech Dera; Cezary Dziekoński
Original assignee: Inst Podstawowych Problemow Techniki Polskiej Akademii Nauk; Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2019-09-30
Also published as: PL422789A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie ultradźwiękowe do nieinwazyjnego niszczenia litych guzów nowotworowych u małych zwierząt. Ultradźwiękowy przetwornik (2) grzejący jest zainstalowany w dnie komory wodnej (1) i zintegrowany z ultradźwiękową głowicą (5) obrazującą połączoną z ultrasonografem (6) USG, zaś nad przetwornikiem (2) jest ramka (7) połączona z wodzikiem (8) układu pozycjonowania (9), który połączony jest z procesorem (10).The subject of the invention is an ultrasonic device for non-invasive destruction of solid tumors in small animals. The heating ultrasonic transducer (2) is installed at the bottom of the water chamber (1) and integrated with the ultrasonic imaging head (5) connected to the ultrasound scanner (6), and above the transducer (2) there is a frame (7) connected to the guide (8) of the system positioning device (9) which is connected to the processor (10).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest bimodalne urządzenie ultradźwiękowe do nieinwazyjnego niszczenia litych guzów nowotworowych u małych zwierząt.The present invention relates to a bimodal ultrasonic device for the non-invasive destruction of solid tumor tumors in small animals.

Szczególnie korzystnie wynalazek może być stosowany w badaniach przedklinicznych na małych zwierzętach do testowania nowych celowanych chemioterapii.The invention may be used particularly advantageously in small animal preclinical studies to test new targeted chemotherapies.

Termoablacyjna terapeutyczna technologia HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) jest znana jako jedna z najnowocześniejszych i najbardziej zaawansowanych technik wykorzystywanych w leczeniu pierwotnych litych guzów lub ich przerzutów. W termoablacyjnej terapii wykorzystującej technikę HIFU energia akustyczna jest dostarczana do małej objętości tkankowej wewnątrz guza za pomocą silnie zogniskowanej ultradźwiękowej wiązki o dużym natężeniu (HIFU) generowanej przez piezoelektryczny przetwornik. Żeby nekroza objęła guz w całości niezbędna jest penetracja całej objętości guza ogniskiem wiązki. W tym celu ognisko wiązki HIFU musi być przemieszczane wzdłuż węzłów przestrzennej siatki obejmującej guz z dobranym krokiem zapewniającym zniszczenie guza w całej jego objętości. Typowa szerokość wiązki HIFU w strefie ogniska (dla -6 dB spadku ciśnienia) waha się w granicach 1-2 mm, natomiast długość tego elipsoidalnego obszaru zmienia się w zakresie 5-10 mm, w zależności od geometrii oraz akustycznych parametrów stosowanej wiązki. Skupienie energii fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu w małej lokalnej objętości wewnątrz guza można uzyskać stosując jednoelementowy piezoelektryczny przetwornik w kształcie kulistej czaszy o dużej średnicy lub wieloelementowy, rozmieszczając wiele (kilkaset) małych płaskich przetworników na powierzchni takiej czaszy.Thermoablative therapeutic HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) technology is known as one of the most modern and advanced techniques in the treatment of primary solid tumors or their metastases. In HIFU thermo-ablative therapy, acoustic energy is delivered to a small tissue volume inside the tumor by a highly focused, high-intensity ultrasound beam (HIFU) generated by a piezoelectric transducer. In order for the necrosis to cover the tumor completely, it is necessary to penetrate the entire tumor volume with the focus of the bundle. For this purpose, the focus of the HIFU beam must be moved along the nodes of the spatial mesh covering the tumor with a selected step ensuring the destruction of the tumor in its entire volume. The typical width of the HIFU beam in the focal zone (for -6 dB of pressure drop) ranges from 1-2 mm, while the length of this ellipsoidal area varies in the range of 5-10 mm, depending on the geometry and acoustic parameters of the beam used. Concentration of the energy of high intensity ultrasound waves in a small local volume inside the tumor can be achieved by using a single-element piezoelectric transducer in the shape of a spherical bowl of large diameter or a multi-element, arranging many (several hundred) small flat transducers on the surface of such a bowl.

W znanych i stosowanych obecnie urządzeniach HIFU do leczenia litych guzów u ludzi, np. Sonablate-500 System (Focus Surgery Inc., Indiana, USA), FEP-BY (China Medical Technologies Inc., Beijing, China), ExAblate (Insightec, Hajfa, Israel) ogniskowanie wiązki HIFU i skanowanie jej ogniska po całej objętości guza odbywa się za pomocą elektronicznego sterowania amplitudą i fazą impulsów pobudzających każdy element wieloelementowego przetwornika HIFU osobno. Takie przetworniki fazowe zapewniają szybkie przesuwanie ogniska wiązki HIFU w obrębie guza oraz umożliwiają regulację jego geometrycznych rozmiarów, jednak niejednorodności w tkankach, przez które propagują się impulsowe fale HIFU, mogą spowodować zniekształcenie wiązki i zmniejszenie ostrości ogniskowania, szczególnie w guzach umiejscowionych głęboko pod skórą. Oprócz tego takie urządzenia są bardzo drogie z powodu rozbudowanej elektroniki, skomplikowanego software'u i wysokich kosztów eksploatacji.In the known and currently used HIFU devices for the treatment of solid tumors in humans, e.g. Sonablate-500 System (Focus Surgery Inc., Indiana, USA), FEP-BY (China Medical Technologies Inc., Beijing, China), ExAblate (Insightec, Haifa, Israel) focusing the HIFU beam and scanning its focus over the entire tumor volume is performed by electronic control of the amplitude and phase of the excitation pulses for each element of the multi-element HIFU transducer separately. Such phase transducers ensure rapid movement of the HIFU beam focus within the tumor and allow for the regulation of its geometrical size, however, inhomogeneities in the tissues through which pulsed HIFU waves propagate can distort the beam and reduce focusing sharpness, especially in tumors deep under the skin. In addition, such devices are very expensive due to complex electronics, complicated software and high operating costs.

Na przykład, w pozaustrojowym urządzeniu z serii FEP-BY pacjent leży nieruchomo na plecach na ruchomym łóżku. Ognisko wiązki HIFU, generowanej przez wieloelementowy fazowy przetwornik piezoelektryczny, umieszczony nad łóżkiem, jest naprowadzane na wnętrze guza za pomocą układu mechanicznego pozycjonowania łóżka pod kontrolą obrazowania USG. Skanowanie ogniska wiązki po całej objętości guza odbywa się za pomocą jego elektronicznego sterowania wzdłuż węzłów 3D siatki obejmującej guz, którego lokalizacja, kształt i rozmiary są wyznaczane z przekrojów badanego narządu uzyskanych z obrazów USG.For example, in an extracorporeal device of the FEP-BY series, the patient lies still on his back on a movable bed. The focus of the HIFU beam, generated by a multi-element phase piezoelectric transducer located above the bed, is guided towards the inside of the tumor by means of the mechanical bed positioning system under ultrasound control. Scanning of the beam focus over the entire tumor volume is carried out by means of its electronic control along the nodes of the 3D mesh covering the tumor, the location, shape and size of which are determined from sections of the examined organ obtained from ultrasound images.

Znane z opisu WO2017026597 jest urządzenie HIFU, zawierające moduł ruchomy oraz połączony z nim poprzez swobodnie wiszący kabel elektryczny moduł ręczny w postaci trzymanej w dłoni głowicy wyposażonej w wymienny wkład jednorazowy.Known from WO2017026597 is a HIFU device comprising a movable module and a handheld module connected to it via a freely hanging electric cable in the form of a hand-held head equipped with a replaceable disposable cartridge.

Moduł ręczny zawiera: generator laserowy frakcyjnie przenoszący energię generowanej wiązki w celu ułatwienia syntezy kolagenu; przetwornik ultradźwiękowy o dopasowanej impedancji, pobudzany sygnałem elektrycznym wzmocnionym przez wzmacniacz mocy i przetwarzający dostarczoną energię elektryczną w akustyczną w celu jej skupienia w malej lokalnej objętości wewnątrz tkanki, które prowadzi do nagrzania tej objętości; odbijające zwierciadło X-Y zdolne poruszać się do przodu/do tylu oraz zmieniać kąt nachylenia, aby tworzyć kolejne ogniska wiązki HIFU w jednym rzędzie, w wielu rzędach lub w rzędach pierścieniowych; urządzenie chłodzące dostarczające chłodzący gaz do wymiennego wkładu; i urządzenie do powiększania obrazu tworzonego przez odbite ultradźwięki.The manual module includes: a laser generator that fractionally transfers the energy of the generated beam in order to facilitate the synthesis of collagen; an impedance matched ultrasound transducer driven by an electrical signal amplified by a power amplifier and converts the supplied electrical energy into acoustic energy to concentrate it into a small local volume within the tissue which causes the volume to become heated; an X-Y reflecting mirror capable of moving forward / backward and changing the tilt angle to create successive foci of the HIFU beam in one row, in multiple rows, or in annular rows; a cooling device supplying cooling gas to the replaceable cartridge; and a device for magnifying the reflected ultrasound image.

Wkład wymienny zawiera: kanał chłodzący wtryskujący chłodzony gaz, umożliwiający jego przepływ przez dolną powierzchnię wymiennego wkładu, obniżając jego temperaturę; oraz przezroczystą membranę przepuszczającą fale i podtrzymującą kanał chłodzący, wchodząc w bliski kontakt z tkanką skóry tak, że wiązka laserowa i wiązka zogniskowanych ultradźwięków o dużym natężeniu wnikają przez skórę.The cartridge includes: a cooling channel injecting the cooled gas, allowing it to flow through the lower surface of the replaceable cartridge, reducing its temperature; and a transparent membrane that transmits waves and supports the cooling channel by coming into close contact with the skin tissue such that the laser beam and the beam of focused ultrasound penetrate the skin at high intensity.

Ruchomy moduł zawiera: kontroler obejmujący ultradźwiękowy przetwornik z regulacją generowanej przez niego częstotliwości i wzmocnienia mocy wiązki, długości impulsów i częstotliwości ich powtarzania oraz rozmiaru strefy ogniska; blok kontroli pozycjonowania lustra X-Y sterujący jego ruThe mobile module includes: a controller comprising an ultrasonic transducer with adjustable frequency generated by it and beam power gain, pulse length and frequency of repetition, and the size of the focal zone; X-Y mirror positioning control block controlling its ru

PL 233 294 B1 chem do przodu/do tylu oraz jego kątem nachylenia względem osi X i osi Y ; blok chłodzący, obniżający temperaturę urządzenia chłodzącego podczas ponownego leczenia; blok pozycjonowania przetwarzający informacje o współrzędnych lokalizacji aktualnie leczonej lokalnej objętości wewnątrz tkanki względem przetwornika ultradźwiękowego oraz blok sterujący powiększaniem obrazu, aby powiększyć obraz tworzony przez odbite ultradźwięki; blok monitorujący zawierający dotykowy ekran wyświetlający informacje obejmujące dane pacjenta i przeprowadzanego przez operatora zabiegu, za pomocą którego lekarz wykonuje procedurę lub steruje urządzeniem generującym zogniskowane ultradźwięki o dużym natężeniu; oraz zasilacz mocy pobudzający przetwornik generujący wiązkę zogniskowanych ultradźwięków o dużym natężeniu.The forward / backward angle and its inclination angle with respect to the X axis and the Y axis; a cooling block that lowers the temperature of the cooling device during retreatment; a positioning block processing information on the coordinates of the location of the currently treated local volume within the tissue with respect to the ultrasound transducer and an image zoom control block to magnify the image formed by the reflected ultrasound; a monitoring block including a touch screen displaying information including patient data and operator treatment by which the clinician performs the procedure or controls a high intensity focused ultrasound generator; and a power supply for energizing a transducer that generates a high intensity focused ultrasound beam.

Z opisu US2009054772 znany jest system terapii ultradźwiękowej, a dokładniej aparat do terapii zogniskowanymi ultradźwiękami o dużym natężeniu (HIFU) kontrolowanej metodami rejestracji obrazu oraz fuzji. System terapeutyczny zawiera centralną jednostkę sterującą, aplikator energii akustycznej, mechaniczne układy napędzające i pozycjonujące wspomniany aplikator oraz ultradźwiękowy skaner do jego naprowadzania pod kontrolą obrazowania USG typu B-mode w czasie rzeczywistym. Ponadto system terapeutyczny według wspomnianego wynalazku zawiera układ unieruchamiający ciało w stałej pozycji. Dzięki unieruchomieniu ciała można rejestrować obrazy USG typu B-mode w czasie rzeczywistym podczas terapii i nakładać je na obrazy diagnostyczne, co pozwala naprowadzać ognisko wiązki HIFU na leczony obszar.From US2009054772 an ultrasound therapy system is known, and more particularly a device for high intensity focused ultrasound (HIFU) therapy controlled by image capture and fusion methods. The therapeutic system comprises a central control unit, an acoustic energy applicator, mechanical driving and positioning systems for said applicator, and an ultrasonic scanner for its guidance under the guidance of B-mode ultrasound imaging in real time. Moreover, the therapeutic system of said invention comprises a system that holds the body in a fixed position. Thanks to the immobilization of the body, it is possible to record B-mode ultrasound images in real time during the therapy and overlay them over the diagnostic images, which allows for the guidance of the HIFU beam focus on the treated area.

Z dokumentu EP1050322 znany jest system wykorzystujący zogniskowane ultradźwięki o dużym natężeniu i służący do skanowania i leczenia nowotworu, który zawiera łączoną sondę , źródło zasilania, skaner ultradźwiękowy z obrazowaniem typu B-mode, wielowymiarowy aparat ruchowy sterowany cyfrowo, urządzenie do odgazowania próżniowego, łóżko terapeutyczne i komputer. Łączona sonda obejmuje ultradźwiękową głowicę obrazującą z obrazem typu B-mode i głowicę terapeutyczną, która generuje terapeutyczne zogniskowane ultradźwięki; jej koniec emitujący ultradźwięki jest zamontowany na wielowymiarowym aparacie ruchowym, który wykonuje ruchy skanujące poza ciałem pacjenta pod kontrolą komputera, powodując, że strefa ogniska wiązki HIFU (punkt w przestrzeni) generowanej przez głowicę terapeutyczną wykonuje ruch skanujący wewnątrz ciała. Dzięki działaniu zogniskowanych ultradźwięków o dużym natężeniu temperatura tkanek w rejonie ogniska wiązki HIFU natychmiast wzrasta do ponad 70 stopni Celsjusza, a tkanki ulegają uszkodzeniu pod wpływem temperatury i mechanicznej kawitacji, w związku z czym następuje ich denaturalizacja i powstaje martwica.EP1050322 discloses a high intensity focused ultrasound system for tumor scanning and treatment, which includes a combined probe, power source, B-mode ultrasound scanner, digital controlled multidimensional movement apparatus, vacuum degassing device, therapy bed and computer. The combined probe includes an ultrasonic imaging head with a B-mode image and a therapy head that produces therapeutic focused ultrasound; its ultrasound-emitting end is mounted on a multidimensional motor apparatus that performs scanning movements outside the patient's body under computer control, causing the focus zone of the HIFU beam (point in space) generated by the therapy head to perform a scanning movement inside the body. Due to the action of focused ultrasounds of high intensity, the temperature of the tissues in the area of the focus of the HIFU beam immediately increases to over 70 degrees Celsius, and the tissues are damaged by temperature and mechanical cavitation, and therefore their denaturalization and necrosis occur.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że ultradźwiękowy przetwornik grzejący jest wmontowany w dno komory wodnej i jest zintegrowany z ultradźwiękową głowicą obrazującą, połączoną z ultrasonografem. Nad ultradźwiękowym przetwornikiem grzejącym jest ramka połączona z wodzikiem mechanicznego układu jej precyzyjnego pozycjonowania, który połączony jest z procesorem sterowanym komputerowo. Ramka, która jest częściowo zanurzona w wodzie wypełniającej komorę wodną, posiada wyjmowalną wkładkę z otworem usytuowanym nad otworem w przetworniku grzejącym. Ultradźwiękowy przetwornik grzejący ma centralny otwór na głowicę obrazującą USG i jest zintegrowany z nią współosiowo. Ramka jest zamocowana do wodzika przegubowo i ma regulowany kąt nachylenia. Układ pozycjonowania jest połączony z procesorem sterującym, posiadającym oprogramowanie komputerowe, którego parametry wejściowe są wyznaczane z lokalizacji, kształtu i rozmiarów przekrojów guza widocznych na obrazach USG. Woda pełni rolę ośrodka zarówno dopasowującego pomiędzy przetwornikiem grzejącym a ciałem zwierzęcia, jak i ośrodka chłodzącego, zapobiegającego oparzeniom skóry, przez którą zogniskowane fale ultradźwiękowe wnikają do ciała.The device according to the invention is characterized in that the ultrasonic heating transducer is mounted in the bottom of the water chamber and is integrated with the ultrasonic imaging head connected to the ultrasound scanner. Above the ultrasonic heating transducer there is a frame connected to the guide of the mechanical system of its precise positioning, which is connected to a computer-controlled processor. The frame, which is partially submerged in the water filling the water chamber, has a removable insert with an opening located above the opening in the heating transducer. The ultrasonic heating transducer has a central opening for the ultrasound imaging head and is coaxially integrated with it. The frame is articulated to the track stick and has an adjustable angle of inclination. The positioning system is connected to a control processor having computer software, the input parameters of which are determined from the location, shape and size of the tumor cross-sections visible on the ultrasound images. Water acts both as an adapting medium between the heating transducer and the animal's body and as a cooling medium, preventing skin burns, through which the focused ultrasound waves penetrate the body.

W przypadku badań przedklinicznych na małych zwierzętach proponowane rozwiązanie jest znacznie prostsze i tańsze niż rozwiązanie polegające na elektronicznym pozycjonowaniu i skanowaniu ogniska wiązki HIFU. Oprócz tego korzystnym skutkiem stosowania proponowanego sposobu skanowania jest utrzymanie stałej ostrości ogniska, co prowadzi do indukowania lokalnej nekrozy o jednakowej rozległości po każdej ekspozycji na wiązkę HIFU. To, z kolei, ułatwia programowanie i sterowanie trajektorią ruchu ramki i polepsza dokładność niszczenia guza nie uszkadzając otaczających go zdrowych tkanek.In the case of preclinical studies on small animals, the proposed solution is much simpler and cheaper than the solution consisting in electronic positioning and scanning of the HIFU beam focus. In addition, the advantageous effect of using the proposed scanning method is to maintain a constant focus of the focus, which leads to the induction of local necrosis of equal extent after each exposure to the HIFU beam. This, in turn, facilitates the programming and control of the frame movement trajectory and improves the accuracy of tumor destruction without damaging the surrounding healthy tissue.

Urządzenie będące przedmiotem wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidocznione na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat urządzenia w przekroju osiowym.In an exemplary embodiment, the device according to the invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the device in an axial section.

Wmontowany w dno prostokątnej komory 1 wodnej ultradźwiękowy przetwornik 2 grzejący HIFU w kształcie kulistej czaszy z centralnym otworem 13, pobudzany poprzez wzmacniacz 3 z generatora 4 impulsowych sygnałów napięcia elektrycznego, jest zintegrowany z ultradźwiękową głowicą 5 obrazującą, umieszczoną współosiowo w jego otworze 13 i połączoną z ultrasonografem (USG) 6. NadThe HIFU heating ultrasonic transducer 2 in the shape of a spherical bowl with a central opening 13, mounted in the bottom of the rectangular water chamber 1, is driven by the amplifier 3 from the generator of 4 impulse voltage signals, is integrated with the ultrasonic imaging head 5, placed coaxially in its opening 13 and connected ultrasound scanner (USG) 6. Nad

PL 233 294 Β1 zintegrowanym układem głowic znajduje się ramka 7 połączona z wodzikiem 8 mechanicznego układu precyzyjnego pozycjonowania 9, połączonego z procesorem 10 sterującym trajektorią jego ruchu, programowaną komputerowo i wyznaczaną z lokalizacji, kształtu i rozmiarów przekrojów guza uzyskanych z obrazów USG. Ramka 7 jest zanurzona częściowo w wodzie wypełniającej komorę wodną 1 i ma wyjmowalną wkładkę 11 z otworem 12, przez który wiązka HIFU wnika do ciała małego zwierzęcia 14 ułożonego na brzuchu.In the integrated system of heads, there is a frame 7 connected to a slider 8 of a mechanical precise positioning system 9, connected with a processor 10 controlling the trajectory of its movement, programmed by computer and determined from the location, shape and size of tumor sections obtained from ultrasound images. The frame 7 is partially submerged in the water filling the water chamber 1 and has a removable insert 11 with an opening 12 through which the HIFU beam enters the body of a small animal 14 laid on its stomach.

Claims

Patent claims

1. Ultrasonic device for non-invasive thermal destruction of solid tumor tumors in small animals, equipped with a HIFU heating transducer connected via an amplifier (3) with a generator (4) of pulsed electric voltage signals, characterized in that the ultrasonic heating transducer (2) is mounted in the bottom the water chamber (1) and integrated with the ultrasonic imaging head (5) connected with the ultrasound scanner (6), and above the ultrasonic heating transducer (2) there is a frame (7) connected with the crosshead (8) of the precise positioning system (9), which is connected is with a processor (10), the frame (7), which is partially submerged in the water filling the water chamber (1), has a removable insert (11) with an opening (12) located above the opening in the HIFU transducer (2).

2. The device according to claim The device of claim 1, characterized in that the heating ultrasonic transducer (2) has a central opening (13) for the imaging head (5) and is coaxially integrated therewith.

3. The device according to claim The device of claim 1, characterized in that the frame (7) is articulated to the slider (8) and has an adjustable angle of inclination.