CZ26868U1 - Ponorná sonda pro měření teploty a odběr vzorků tavenin - Google Patents

Description

Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém

Oblast techniky

Technické řešení se týká elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému pro sledování polohy nádoru při radioterapeutické léčbě, který zahrnuje bezdrátový transpondér netečný vůči ozáření dávkou ionizujícího záření.

Dosavadní stav technikv

V současné době je detekce a lokalizace, tj. určování a sledování polohy nádoru v těle pacienta, zásadním problémem při bezpečném a efektivním ozáření dávkou ionizujícího záření v aplikaci tzv. přesné radioterapie. Praktické klinické zkušenosti ukazují, že ozařovaná místa v těle pacienta (nádory) se během ozařovací procedury pohybují a uložení pacienta do přesné polohy vzhledem k již vytvořeným polohovacím značkám na jeho těle (kůži) je problematické.

Naprostá většina lokalizačních a sledovacích systémů, které umožňují kontinuální monitoring pohybu nádoru v těle pacienta, v současné době využívá ionizující záření. Jedná se o širokou škálu systémů založených na aplikaci rentgenokontrastních značek (radiopaque fiducial markér s), které jsou implantovány do nádoru a používají se v kombinaci s rentgenovými a/nebo skiaskopickými zobrazovacími systémy. Ke kontrole polohy ozařovaného objemu podle anatomických struktur je u moderních ozařovačů používán elektronický zobrazovací systém (EPIDElectronic Portál Imaging Device), snímající záření procházející tělem pacienta. Zněj se provádí rekonstrukce obrazu, který je podobný klasickému RTG snímku, ale s menším rozlišením.

Nejnovější přístupy, zaváděné do praxe, představují tzv. radioterapie řízená obrazem (IGRT Image Guided Radiation Therapy) a její modifikace v podobě tzv. adaptivní radioterapie (ART Adaptive Radiation Therapy) či radioterapie s modulovanou intenzitou svazku (IMRT - Intensity Modulated Radiation Therapy) a radioterapie řízená dávkou (DGRT - Dose-Guided Radiotherapy). Všechny tyto metody umožňují cílené ozáření nádoru při současném šetření zdravých tkání, ovšem velkým omezením rentgenové lokalizace je velikost dávky ionizujícího záření a s tím související možné rozlišení. Eíkazuje se, že je obtížné koncipovat systém, který bude umožňovat interaktivní určování polohy implantovaných značek při rentgenovém snímání obrazu tak, aby byla dosažena potřebná rozlišovací schopnost a současně celková dávka ozáření neúměrně nezatěžovala pacienta.

Známé systémy sledování polohy v lékařství, nevyužívající ionizující záření, lze obecně rozdělit na systémy optické a elektromagnetické (EM) v různých modalitách dle použitého fyzikálního principu. Většina těchto systémů ovšem vyžaduje umístění snímacího čidla (senzoru, odražeče) přímo na měřený objekt, jehož poloha či změna polohy má být sledována. Přenos měřeného signálu probíhá u optických systémů v příslušné části spektra elektromagnetického záření (viditelné, infračervené), přičemž je podmíněn přímou viditelností mezi detekční jednotkou (kamerou) a polohovými čidly (odražeči).

U EM systémů s vodičovým propojením snímacího čidla je přenos signálu zajištěn vodičem propojujícím snímací čidlo zaváděné do těla pacienta s detekční jednotkou umístěnou mimo tělo pacienta. Tyto vodičové EM sledovací systémy tudíž s ohledem na požadované technické řešení nesplňují základní požadavek na bezdrátový charakter snímacího čidla. Nicméně v současné době se díky výrazné miniaturizaci snímacích cívek používají rovněž v lékařství v oblasti obrazem naváděné chirurgie (IGS - Image-Guided Surgery).

Další známou kategorií systémů využitelných pro lokalizaci polohy nádoru jsou ultrazvukové (sonografícké) zobrazovací systémy, které ovšem vyžadují přímý kontakt ultrazvukové sondy s tělem pacienta v místě předpokládaného výskytu nádoru. Tato skutečnost vylučuje použití ultrazvukové sondy během ozařování pacienta za účelem sledování polohy v reálném čase. Nicméně je možné se setkat s využitím ultrazvukového zobrazovacího systému pro radioterapii řízenou obrazem v podobě přístroje, který kombinuje ultrazvukový senzor a 3D sledovací systém pro zaměřování nádoru v procesu radioterapeutické léčby.

-1 .

CZ 26868 Ul

Úkolem technického řešení je vytvoření lokalizačního systému, jehož fyzikální princip by nebyl založen na využití ionizujícího záření a současně by umožňoval bezdrátovou aplikaci snímacího čidla umisťovaného do sledovaného nádoru, přičemž by technické řešení odstraňovalo funkční závislost lokalizačního systému na radioterapeutickém zařízení a nepodílelo by se tak na zvyšování celkové dávky ozáření pacienta.

Podstata technického řešení

Vytčený úkol je vyřešen vytvořením elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému pro sledování polohy nádoru při radioterapeutické léčbě podle tohoto technického řešení.

Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém pro sledování polohy nádoru při radioterapeutické léčbě je tvořen alespoň jedním bezdrátovým rozhraním sestávajícím z alespoň jednoho bezdrátového transpondéru umístěného v bezprostřední blízkosti nádoru, z alespoň jednoho vysílače budicího magnetického pole pro transpondér, kde vysílač zahrnuje alespoň jednou budicí cívku, a z alespoň jednoho snímače magnetického pole transpondéru, kde přijímač zahrnuje alespoň jednu snímací cívku, a dále zahrnující řídící jednotku pro ovládání vysílače a pro příjem a vyhodnocení dat ze snímače. Podstata technického řešení spočívá vtom, že transpondér je pasivní LC transpondér, budicí cívka a alespoň dvě snímací cívky jsou vedle sebe uspořádány ve společné rovině vplanámí jednotce, přičemž snímací cívky tvoří uspořádané pole pozic pro elektromagnetickou interakci s budicí cívkou, a transpondér je uspořádán v dosahu budicího magnetického pole planámí jednotky.

Výhody se nacházejí ve využití fyzikálního principu elektromagnetické indukce nevyužívající ionizující záření, v bezdrátovém charakteru snímacího čidla sledování polohy nádoru, a ve vytvoření bezdrátového senzoru za účelem zaměřování elektricky pasivního transpondéru, který je umístěn uvnitř nebo v těsné blízkosti nádoru a představuje tak zaměřovaný a polohově sledovaný bod. Z fyzikálního hlediska se jedná o aplikaci principu elektromagnetické indukce ve střídavém magnetickém poli, které je buzeno z vnějšího zdroje nacházejícího se mimo tělo pacienta. Pasivní LC transpondér umisťovaný do blízkosti nádoru pomocí laparoskopické chirurgie, či implantačním vpichem nemá vlastní zdroj elektrické energie a je tvořen rezonančním obvodem, složeným z cívky a kondenzátorů, naladěným na pracovní kmitočet budicího magnetického pole. Magnetické pole umožňuje bezdrátový přenos energie indukční vazbou.

V jiném výhodném řešení elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému podle technického řešení je řídící jednotka připojena k operačnímu modulu, který zahrnuje generátor budicího signálu pro tvorbu budicího magnetického pole budicí cívky, vícekanálový A/D modul pro příjem a převedení analogového signálu ze snímacích cívek planámí jednotky, modul pro řízení, synchronizaci a sběr dat z vícekanálového A/D modulu a napájecí modul, přičemž operační modul je propojen s planámí jednotkou přes zesilovač budicího signálu. Pro spolehlivější chod systému a praktičtější zhotovení je výhodné, že se operační modul vyčlení z řídící jednotky, která se pouze k němu připojuje. Tím lze k operačnímu modulu připojovat odlišné řídící jednotky, které mohou být nastavením individualizovány podle aktuálního zákroku.

V dalším jiném výhodném řešení elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému podle technického řešení je řídící jednotka opatřena softwarovým prostředkem pro vyhodnocení sledování polohy pasivního LC transpondéru. Softwarový prostředek s výhodou zahrnuje rozhraní uživatelské aplikace a tak umožňuje obsluze systému snadné čtení a analýzu získaných dat o poloze nádoru.

V jiném výhodném řešení elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému podle technického řešení zahrnuje alespoň dva transpondéry a generátor budicího signálu má alespoň dva pracovní kmitočty. Pokud má v sobě pacient více nádorů, které se musejí správně lokalizovat, je vhodné na každý z nádorů umístit transpondér s jiným prahem budicí frekvence v rámci jednoho zákroku. Při léčbě konkrétního nádoru je kmitočet budicího signálu nastaven na konkrétní první transpondér a druhý transpondér je v rámci sledování polohy prvního neaktivní.

. 2 .

V jiném výhodném řešení elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému podle technického řešení je pracovní kmitočet budicího signálu generátoru v rozmezí od 1 kHz do 1000 kHz. Vzhledem k tomu, že amplituda EM vlny šířící se v prostředí lidského těla a kůží je výrazně tlumena se vzrůstajícím kmitočtem, je pracovní kmitočtová oblast lokalizačního systému omezena horním kmitočtem 1000 kHz.

V jiném výhodném řešení elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému podle technického řešení je vysílač tvořen uspořádaným polem pozic budicích cívek v planámí jednotce. To je výhodné zejména pro dosažení lepší prostorové homogenity budicího magnetického pole.

Výhody elektromagnetického bezdrátového lokalizačního systému podle technického řešení jsou v umožnění přesnějšího zaměřování nádoru v průběhu radioterapeutické léčby bez nutnosti aplikace ionizujícího záření pro účely kontinuálního monitoringu pohybu nádoru, např. na základě určování polohy implantovaných rentgen-kontrastních značek při rentgenovém snímání obrazu, neboť nedochází ke zvyšování celkové dávky ozáření, která by neúměrně zatěžovala pacienta. Další podstatnou výhodou technického řešení je skutečnost, že při vhodně zvolené prostorové konfiguraci detekční jednotky vzhledem k fokusaci svazku ozáření a tvaru ozařovaného pole je možné provádět sledování polohy nádoru přímo během procesu ozařování pacienta.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže objasněno na následujícím vyobrazení, kde obr. 1 představuje schématické zapojení jednotlivých součástí systému a obr. 2 představuje schematické vyobrazení planámí jednotky.

Příklad uskutečnění technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší, či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Na obr. 1 je vyobrazen elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém I, který sestává z externí řídící jednotky 5 tvořené připojeným stolním počítačem, nebo notebookem a z operačního modulu 7. V řídící jednotce 5 se nachází softwarový prostředek 13, který vyhodnocuje přijímaný digitální signál z připojeného operačního modulu 7 a vyhodnocuje sledování polohy pasivního LC transpondéru 2 v rozhraní přehledné aplikace. V jiném nevyobrazeném řešení může být operační modul 7 nedílnou součástí řídící jednotky 5.

Operační modul 7 zahrnuje generátor 8 budicího signálu, jehož signál je přiváděn na budicí cívku 3 nacházející se v planámí jednotce 6 soustavy bezdrátového rozhraní mimo operační modul 7. Další součástí operačního modulu 7 je vícekanálový A/D modul 9 pro příjem analogového signálu ze snímacích cívek 4, ke kterým je připojen. Vícekanálový A/D modul 7 obsahuje pro každý kanál přiřazený k jedné snímací cívce 4 připojený kmitočtový filtr, zesilovací prostředek analogového signálu a A/D převodník. Součástí operačního modulu 7 jsou také modul 10 pro řízení, synchronizaci a sběr dat, který zpracovává data z vícekanálového A/D modulu 9 a napájecí modul 11 pro tvorbu a rozvod napájecích napětí. Všechny součásti operačního modulu 7 jsou uloženy v uzavřené společné přístrojové skříni. Mezi operačním modulem 7 a planámí jednotkou 6 je zapojen externí zesilovač 12 budicího signálu.

Planámí jednotku 6 tvoří budicí kruhová cívka 3 a šest snímacích kruhových cívek 4, které jsou uspořádány do definovaného pole pozic a jsou umístěny na společné nosné desce 15 s plastovým krytem, viz obr. 2. Definované pole pozic je použito v převodních výpočtech naměřených intenzit magnetického pole do prostorových souřadnic. V této základní variantě jsou budicí cívka 3 a pole snímacích cívek 4 orientovány v souhlasné rovině, přičemž jejich geometrické středy jsou v jedné ose (koaxiálně) s minimální vzdáleností mezi sebou. Provedení planámí jednotky 6 soustavy

- 3 CZ 26868 Ul bezdrátových rozhraní umožňuje fixaci polohy planámí jednotky 6 do požadované vzdálenosti od místa výskytu/umístění pasivního LC transpondéru 2. Planámí jednotka 6 je polohována pomocí ramene na samostatném stojanu, který může být konstrukčně spojen s deskou stolu radioterapeutického ozařovače.

Pasivní LC transpondér 2 nesmí zahrnovat žádnou elektroniku napájenou zdrojem napětí, neboť by po zasažení dávkou ionizačního záření došlo kjeho poškození a i k možnému ohrožení zdraví pacienta. LC uspořádání zahrnuje propojení cívky s kondenzátorem bez aktivního zdroje napájení.

Pasivní LC transpondér 2 se chirurgicky umístí do blízkosti polohy léčeného nádoru. Pokud se ío jedná o nádor např. v oblasti břicha, je využito laparoskopické chirurgie, která je oblíbena pro nízkou invazivnost do tkání a rychlou rekonvalescenci organismu. Při zjišťování polohy transpondéru 2 budicí cívka 3 indukuje magnetické pole, které proniká tkáněmi pacienta 14 k transpondéru 2 a podle fyzikálního principu začne uvádět cívku transpondéru 2 v činnost.

Cívka je v transpondéru 2 propojena s kondenzátorem a při správném kmitočtu budicího signálu dojde v obvodu uvnitř cívky k rezonanci, jejímž následkem dojde k ovlivnění intenzity budícího magnetického pole nebo k indukci magnetického pole v bezprostřední oblasti okolo transpondéru 2, přičemž je změna zachycena polem snímacích cívek 4 a systém X provede vyhodnocení polohy. Pracovní frekvence budicího signálu je 350 kHz.

Průmyslová využitelnost

Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém podle technického řešení je vhodný pro sledování polohy nádoru v těle pacienta při radioterapeutickém léčebném zákroku, přičemž lokalizační systém pri určování polohy nádoru nezvyšuje zátěž organismu pacienta dalším ionizujícím zářením.

Claims (6)

1. 25 1. Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém (1) pro sledování polohy nádoru při radioterapeutické léčbě je tvořen alespoň jedním bezdrátovým rozhraním sestávajícím z alespoň jednoho bezdrátového transpondéru (2) umístěného v bezprostřední blízkosti nádoru, z alespoň jednoho vysílače budicího magnetického pole pro transpondér (2), vysílač zahrnuje alespoň jednu budicí cívku (3), a z alespoň jednoho snímače magnetického pole transpondéru (2), který zahr30 nuje alespoň jednu snímací cívku (4), a dále zahrnující řídící jednotku (5) pro ovládání vysílače a pro příjem a vyhodnocení dat ze snímače, vyznačující se tím, že transpondér (2) je pasivní LC transpondér (2), budicí cívka (3) a alespoň dvě snímací cívky (4) jsou vedle sebe uspořádány ve společné rovině v planámí jednotce (6), přičemž snímací cívky (4) tvoří uspořádané pole pozic pro elektromagnetickou interakci s budicí cívkou (3), a transpondér (2) je uspo35 řádán v dosahu budicího magnetického pole planámí jednotky (6).
2. 2. Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že řídící jednotka (5) je připojena k operačnímu modulu (7), který zahrnuje generátor (8) budicího signálu pro tvorbu budicího magnetického pole budicí cívky (3), vícekanálový A/D modul (9) pro příjem analogového signálu ze snímacích cívek (4) planámí jednotky (6), modul

   40 (10) pro řízení, synchronizaci a sběr dat z vícekanálového A/D modulu (9) a napájecí modul (11), přičemž operační modul (7) je propojen s planámí jednotkou (6) přes zesilovač (12) budicího signálu.
3. 3. Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že řídící jednotka (5) je opatřena softwarovým prostředkem (13) pro vyhodno45 cení sledování polohy pasivního LC transpondéru (2).

   -4CZ 26868 Ul
4. 4. Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že zahrnuje alespoň dva transpondéry (2) a generátor (8) budicího signálu má alespoň dva pracovní kmitočty.
5. 5. Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém podle nároku 4, vyznačující se tím, že pracovní kmitočet budicího signálu generátoru (8) je v rozmezí od 1 kHz do 1000 kHz.
6. 6. Elektromagnetický bezdrátový lokalizační systém podle alespoň jednoho z nároku 1 až 5, vyznačující se tím, že vysílač je tvořen uspořádaným polem pozic budicích cívek (3) v planámí jednotce (6).