ES2316834T3 - Metodo y aparato para la medicion no invasiva de un cambio de temperatura dentro de un cuerpo vivo. - Google Patents
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Abstract
Método para le medición no invasiva del cambio de temperatura de un blanco en el interior de un cuerpo, transmitiendo un impulso ultrasónico hacia el blanco, sometiendo a un impulso reflejado desde el blanco a un análisis de frecuencia, y calculando el cambio de temperatura del blanco a partir de él, en el que se produce un espectro de frecuencias del impulso reflejado, caracterizado porque el cambio de temperatura se calcula para que sea proporcional al cociente de la amplitud de los armónicos del citado espectro.
Description
Método y aparato para la medición no invasiva de
un cambio de temperatura dentro de un cuerpo vivo.
El invento se refiere, en general, a un método y
un aparato para la medición, no invasiva, de un cambio de
temperatura de un cuerpo vivo, desde el exterior o a través de una
cavidad del cuerpo vivo.
Cuando una onda ultrasónica atraviesa un
material tal como tejido corporal, la energía de la onda ultrasónica
es absorbida y la onda es atenuada. La parte absorbida de la onda
ultrasónica es convertida sustancialmente en energía térmica. Los
ultrasonidos terapéuticos, es decir, los ultrasonidos de elevada
intensidad, se utilizan para tratamiento térmico de, por ejemplo,
músculos y otras estructuras de un cuerpo vivo, fundamentalmente
con el fin de incrementar el flujo sanguíneo a través de la
estructura y de acelerar su curación. El calentamiento mediante
ultrasonidos terapéuticos se lleva a cabo a, aproximadamente, 3
W/cm^{2}. No se controla la temperatura de la estructura
calentada y del tejido circundante. Recientemente, se ha utilizado
la técnica de MR, pero se trata de una técnica cara y lenta. Por
tanto, en este caso, como cuando un tejido es destruido al
calentarlo localmente a una temperatura de entre 42 y 95º o cuando
se calienta una endoprótesis introducida en un vaso sanguíneo para
el tratamiento térmico de anormalidades en el vaso, se desea
disponer de un control fiable del cambio de temperatura del tejido
o de la endoprótesis durante el tratamiento, con el fin de efectuar
el tratamiento sin lesionar el tejido que rodea a la región que ha
de tratarse mediante calentamiento con ultrasonidos.
El artículo de Seip R. y colaboradores:
"Realimentación invasiva y no invasiva para termometría por
ultrasonidos mediante agrupación controlada en fase", en el 1994
IEEE Ultrasonics Symposium, páginas 1821-1824,
describe un método y un aparato para medir el cambio de temperatura
de un blanco en el interior de un cuerpo, de acuerdo con el
preámbulo de, respectivamente, las reivindicaciones 1 y 8.
También es conocido en la técnica proporcionar
un control de temperatura durante el tratamiento no invasivo de una
zona de blanco en el interior de un cuerpo vivo. Así, el documento
JP-A-1233337 describe un
método y un aparato para medir la temperatura de un objeto al que
no puede accederse desde el exterior, tal como un tejido en el
interior de un cuerpo humano, que es calentado mediante un
calentador externo, en el que una onda ultrasónica es transmitida
al objeto. Una onda reflejada desde él es sometida a conversión de
A/D (analógico/digital) y la onda percibida es recortada en tramos
iguales a la longitud de onda para realizar un análisis de
frecuencia. A partir de éste se calcula la temperatura del objeto
sobre la base de una relación predeterminada entre una frecuencia
de pico de una distribución de frecuencia obtenida por el análisis,
o de la mitad de su anchura, y la temperatura del objeto.
El documento
US-A-5.370.121 describe un método y
un aparato para la medición no invasiva de un cambio de temperatura
entre dos puntos en una región de interés en el interior de un
sujeto vivo que es tratado con radiación térmica para calentarlo.
Una primera forma de onda ultrasónica que contiene, al menos, un
impulso ultrasónico es emitida hacia el sujeto en un primer
instante y es hecha incidir sobre la región de interés que refleja
un primer conjunto correspondiente de señales de eco a partir de
las cuales se genera y se almacena una primera señal ultrasónica.
Una segunda forma de onda ultrasónica idéntica a la primera forma de
onda ultrasónica es emitida hacia el sujeto en un segundo instante
e incide sobre la citada región que refleja un segundo conjunto
correspondiente de señales de eco. A partir de ellas se genera una
segunda imagen ultrasónica. A partir de la primera y de la segunda
imágenes ultrasónicas se genera una imagen ultrasónica diferencial.
Si existe, se identifica un cambio de temperatura de la región de
interés en el curso de la producción de las imágenes ultrasónicas de
la región, determinando el cambio de la impedancia acústica de la
región de interés entre el primero y el segundo instantes,
asignándose un cambio de temperatura al cambio de impedancia.
El documento
US-A-4.807.833 describe un método y
un aparato de termometría no invasiva que se basa en la observación
de que la atenuación de un haz de ultrasonidos, transmitido o
reflejado, cambia en forma mensurable cuando cambia la temperatura
del tejido. El método y el aparato de la técnica anterior comprenden
la medición periódica de la amplitud de ultrasonidos en
retrodispersión.
El documento
US-A-6.050.943 se refiere a un
sistema combinado de generación de imágenes, terapia y vigilancia
de la temperatura que comprende un conjunto transductor ultrasónico
configurado para permitir que el sistema ultrasónico realice las
funciones de generación de imágenes, la terapia y la vigilancia de
temperatura. El conjunto transductor incluye un único transductor
que está conectado operativamente a un subsistema de generación de
imágenes, un subsistema de terapia y un subsistema de vigilancia de
la temperatura. El subsistema de terapia puede generar energía
acústica de alta potencia para calentar una región de tratamiento, y
el subsistema de vigilancia de temperatura puede cartografiar y
vigilar la temperatura del tejido en la citada región y presentar
la temperatura en un dispositivo de presentación. El cartografiado
de la distribución de temperatura en el tejido de la región en
tratamiento se consigue midiendo el tiempo de vuelo y los datos de
amplitud de los impulsos acústicos a través de dicha región
mientras se aprovecha la dependencia de la temperatura de la
velocidad del sonido y la atenuación acústica en el tejido de la
región en tratamiento. La generación de imágenes, el calentamiento
a una temperatura y la vigilancia de la temperatura de la región en
tratamiento pueden llevarse a cabo de manera sustancialmente
simultánea.
El documento US 4.566.460 describe un método y
un aparato para medir un parámetro A/B no lineal de un medio
acústico o su distribución, y la aplicación del parámetro a la
medición no invasiva de la temperatura interna de una muestra. Se
radia un haz de sondeo ultrasónico de onda continua a través de la
muestra, y sobre el haz de sondeo se superpone una onda de bombeo
que es un impulso ultrasónico. Se detecta un cambio de fase del haz
de sondeo provocado por la onda de bombeo y, a partir de este cambio
de fase, se obtiene el parámetro (B/A) no lineal. A partir de la
información relativa a la variación del valor medido del citado
parámetro, se obtiene la temperatura interna de la muestra.
El documento US 5.360.268 describe un aparato
ultrasónico para medir la temperatura, que mide la temperatura de
un medio, el cual incluye un transmisor para transmitir ondas
ultrasónicas y un receptor para recibir las ondas ultrasónicas y
proporcionar una señal recibida. Una unidad funcional calcula el
tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas y la temperatura
del medio se determina de acuerdo con el tiempo de propagación de
las ondas ultrasónicas.
El documento US 4.817.615 describe un aparato
ultrasónico de diagnóstico que incluye un transductor ultrasónico
para transmitir una onda ultrasónica en un cuerpo a examinar y para
recibir la onda ultrasónica reflejada, detectándose las variaciones
de fase para obtener la fluctuación de la temperatura dentro del
cuerpo.
Un método y un aparato similares para la
determinación de la temperatura mediante impulsos ultrasónicos de
un espécimen y se determina la atenuación de los impulsos de
ultrasonidos entre diferentes profundidades del espécimen antes y
después de calentarlo. El cambio de temperatura del espécimen se
determina a partir de los valores de atenuación obtenidos.
El documento JP 61280533 describe un aparato
para medir la temperatura interna de un cuerpo vivo mediante una
onda ultrasónica reflejada dirigida al interior del cuerpo vivo. Se
aplica análisis espectral a la frecuencia de la onda reflejada y se
calcula la magnitud del cambio del espectro de frecuencia de la onda
reflejada y se convierte en una magnitud de cambio de
temperatura.
Los métodos y los aparatos de la técnica
anterior no proporcionan la precisión, en la medición de la
temperatura del blanco, que se requiere con el fin de proporcionar
un control exacto de la temperatura para conseguir un tratamiento
terapéutico adecuado, y/o requieren el uso de varios puntos de
medida, lo que hace bastante complicado el empleo de los métodos y
de los aparatos de la técnica anterior.
El objeto del invento es superar los
inconvenientes antes mencionados y proporcionar un método y un
aparato para medir con precisión la temperatura de un área muy
pequeña de un blanco dentro de una región calentada mediante
ultrasonidos, especialmente para tratar un vaso empleando material
de endoprótesis o para destruir tejido, tal como tejido canceroso,
utilizando ultrasonidos en retrodispersión desde el blanco para las
mediciones de temperatura.
Más particularmente, el invento proporciona un
método y un aparato que permiten controlar la temperatura de un
blanco calentado mediante ultrasonidos pulsatorios terapéuticos de
gran intensidad, tras cada impulso terapéutico, con el fin de
generar una dosis de energía perfectamente ajustada para crear una
temperatura adecuada de una pequeña área controlada del blanco.
Con el fin de conseguir el objeto antes
mencionado, el invento proporciona un método de acuerdo con la
reivindicación 1 y un aparato de acuerdo con la reivindicación
8.
Otras características del invento se definen en
las reivindicaciones dependientes.
La fig. 1 es un diagrama de bloques de un
aparato del invento.
la fig. 2 es un diagrama de tiempos del
procedimiento aplicado cuando se utiliza el aparato de la fig.
1,
la fig. 3 es un espectro de frecuencias de un
impulso de ultrasonido retrodispersado, y
las figs. 4 y 5 son diagramas que ilustran los
picos de frecuencia de los armónicos del impulso
retrodispersado.
Haciendo referencia a la fig. 1, el aparato para
poner en práctica el método del invento comprende una unidad de
control 10 que incluye un transmisor 11 para generar energía de
ultrasonidos de baja intensidad (para diagnóstico) para medir la
temperatura, y un transmisor 12 para generar energía de ultrasonidos
terapéutica, de elevada intensidad, siendo transmitida la energía
ultrasónica por un transductor 13 que comprende varios emisores de
ultrasonidos formados por delgadas placas 14 de cerámica montadas en
un sistema de montaje 15 en forma de cubeta reflectante que enfoca
la energía ultrasónica transmitida. Los dos circuitos transmisores
pueden combinarse, también, para formar un único circuito de
control con fines tanto terapéuticos como de diagnóstico. La
energía ultrasónica terapéutica generada por el transmisor 12 es
emitida desde el transductor 13, que se aplica contra una
superficie externa del tejido corporal, para tratamiento del tejido
en una región de blanco T de tejido corporal, por ejemplo tejido
canceroso, a tratar, o a una endoprótesis situada en un vaso
sanguíneo. También es posible utilizar, en lugar de la disposición
de transductores en forma de cubeta descrita, sistemas
transductores de agrupación controlada en fase, tanto para el
tratamiento como para la medición de la temperatura. La región de
blanco T está situada entre una primera y una segunda superficies de
tejido, A y B. El grosor de la región de blanco T entre las
superficies A y B se define aplicando cualquiera de los métodos de
la técnica anterior desarrollados para tal fin. El transductor 13
se ajusta para enfocar la energía ultrasónica emitida sobre un área
F situada en la región de blanco T. En la fig. 1, el área enfocada F
de la región T del blanco tiene forma elipsoidal y un tamaño que
es, sustancialmente, igual al de un grano de arroz, pero puede ser
menor o mayor dependiendo de la construcción. Un perceptor 17 está
previsto en el transductor 13 para captar las señales de eco
ultrasónicas retrodispersadas. Un receptor 18 que incluye un
amplificador de banda ancha con amplificación controlada, está
previsto para recibir y amplificar las señales de eco ultrasónicas
captadas. El receptor 18 está conectado a un convertidor 19 de
analógico en digital con una memoria y con una elevada frecuencia
de muestreo fs, que va desde >3\timesfo hasta aproximadamente
20\timesfo, donde fo es la frecuencia fundamental (primer
armónico) de la señal de eco, para convertir las señales recibidas
por el receptor de forma analógica a forma digital con el fin de
facilitar el tratamiento subsiguiente de las señales. fo puede ser
de frecuencia diferente con una variación del ancho de banda para
conseguir una sensibilidad óptima a la temperatura. Las señales de
salida del receptor son transmitidas por el convertidor a un
analizador 20 que puede ser un analizador FFT (transformada rápida
de Fourier) o un analizador Doppler o una técnica de onditas o un
analizador que correlacione ecos de distintos tipos y diferente
configuración de impulsos ultrasónicos transmitidos. Puede preverse
un solo analizador de uno de los tipos mencionados o una combinación
de los mismos. La señal de salida del analizador (o de cada
analizador) es transmitida a un circuito 21 de comparación complejo,
denominado en lo que sigue comparador, en el que la señal es
comparada con una referencia almacenada en él. Como característica
opcional (utilizada o no), el comparador 21 está conectado
operativamente al transmisor 10. Cuando una comparación indica que
la señal de entrada es igual a un valor de referencia prefijado, el
comparador se desconecta del transmisor 12. El analizador 20 es
conectado a un calculador 22 que incluye programas para tratar las
señales de eco retrodispersadas recibidas. Un dispositivo de
presentación 23 está conectado al comparador 21 y al calculador 22
para presentar visualmente los parámetros de interés.
Los parámetros del tratamiento tales como
intensidad de los ultrasonidos, tipo de secuencia de impulsos,
profundidad de la región T de blanco, frecuencia de los
ultrasonidos y temperatura seleccionada, se programan o se fijan en
la unidad de control 10 y miden la temperatura en cada punto
focal.
Con referencia a la fig. 2, en ella se ilustra
diagramáticamente una secuencia típica de realización de un
tratamiento no invasivo por medio de ultrasonidos terapéuticos de
elevada intensidad, marcándose los diversos pasos en el eje de
tiempos.
Un impulso 1 de ultrasonido terapéutico es
emitido desde el aparato durante, aproximadamente, 1,3 segundos y,
luego, se produce una pausa hasta el siguiente impulso 1' de
ultrasonido terapéutico durante un período de 8,7 segundos. Esto
puede reducirse a escala en, aproximadamente, un factor de 10 y,
también, puede cambiarse la duración de los impulsos. Durante la
pausa de 8,7 segundos entre los impulsos 1 y 1', un impulso 2 de
diagnóstico de temperatura es emitido desde el transmisor 11 por el
transductor 13 y se comprueba el resultado del tratamiento
utilizando el eco E2 retrodispersado del impulso 2 y el eco E2'
retrodispersado del impulso 2' o, generalmente, empleando el eco
E2n retrodispersado del impulso 2n.
La señal que representa el eco retrodispersado
procedente de la región T' de blanco en tratamiento por medio del
ultrasonido terapéutico de alta intensidad, es presentada como un
espectro de frecuencias, como se ilustra en la fig. 3, por el
analizador 20. Este espectro comprende un primer armónico
(frecuencia fundamental) A1, un segundo armónico A2, un tercer
armónico y, posiblemente, otros armónicos de orden alto. El primero,
el segundo y el tercer armónicos tienen las frecuencias f0, 2f0 y
3f0, respectivamente. Las amplitudes de estas frecuencias se
representan mediante al analizador 20, como se muestra en la fig.
2.
La medición del eco E2 es la primera medición y
se designa con 0, y las amplitudes de los tres armónicos incluidos
en dicho eco se designan con A10 a la frecuencia f0, A20 a la
frecuencia 2f0 y A30 a la frecuencia 3f0.
La medición del eco E2' es la segunda medición y
se designa con 1. Los tres armónicos correspondientes se designan
con A11, A21 y A31.
En la medición n de un eco provocado por un
impulso de diagnóstico 2n de medición de temperatura, los tres
armónicos se designan con A1n, A2n y A3n.
Los ecos del extremo de seguimiento de los
impulsos terapéuticos 1, 1' y 1n se indican en la fig. 2 en E1,
E1' y E/n y pueden utilizarse como impulsos de medición pero, para
este fin, se prefiere utilizar impulsos separados 2, 2' y 2n.
Haciendo referencia a la fig. 2, se calcula el cociente más sencillo
para cada punto de medición en E1 y E2 y para el E1n y E2n mediante
la fórmula:
\global\parskip0.950000\baselineskip
- Cociente = (amplitud del segundo armónico/amplitud del primer armónico)
- Cociente = (integral de la intensidad del segundo armónico/integral de la intensidad del primer armónico)
como se ilustra en la fig. 3.
Mediante un programa se calcula, en el
calculador 22, el cociente
\frac{A1n-A10}{A10}
donde A10 es la amplitud del primer
armónico antes de iniciarse el tratamiento y A1 es la amplitud del
primer armónico en la medición n tras el
inicio.
En otro cociente, se calcula
\frac{A2n-A20}{A20}
donde A20 es la amplitud del
segundo armónico antes de iniciarse el tratamiento y A20 es la
amplitud del segundo armónico en la medición y A2n es la amplitud
del segundo armónico en la medición n tras el
inicio.
Pueden realizarse cálculos para las siguientes
mediciones, la medición para proporcionar el cociente para el
segundo armónico y el cociente entre el segundo armónico y el primer
armónico
\frac{A2n-A2(n-1)}{A2(n-1)}
donde n-1 es la
medición realizada justo antes de la medición de orden n. El invento
se basa en el hecho de que el cociente de la amplitud de los
armónicos (así como el cociente de la intensidad, basado en el
cuadrado de la amplitud) depende del cambio de temperatura de la
región de blanco durante su calentamiento. Así, se ha encontrado
que existe una relación casi lineal entre el cambio de temperatura y
el
cociente
\Delta T = C
\times el
cociente
donde C es un factor constante que
se determina empíricamente y es específico para cada tipo de tejido,
la profundidad de la región T de blanco, los ultrasonidos, la
intensidad y la frecuencia y el sistema perceptor
aplicado.
Con referencia a la fig. 4, como alternativa al
cociente de la amplitud puede utilizarse un cociente de integrales,
empleándose el área de los picos del diagrama hasta el eje
horizontal para la amplitud cero, para el cálculo del cociente
\frac{Y21-Y20}{Y20}
o, como se muestra en la fig. 5, el
cociente se calcula teniendo en cuenta únicamente el área situada
por encima de un nivel de ruido N que, en muchos casos, puede
despreciarse si la relación entre señal y ruido (SNR) es los
bastante grande. Los cocientes basados en los cálculos de FFT pueden
basarse en la amplitud de los ecos o las intensidades de los ecos,
que son el cuadrado de la amplitud. La temperatura del área de
blanco relacionada con las medidas realizadas no se calcula, de
acuerdo con el invento, sobre la base de uno de dichos cocientes o
una combinación de dichos
cocientes.
En experimentos, el inventor ha basado sus
cálculos sobre todos los tipos de cociente utilizando todos los
armónicos en diferentes combinaciones para encontrar la combinación
más sensible de uno o muchos cocientes. Los ejemplos facilitados en
lo que antecede son los cocientes utilizados con la mayor
frecuencia. Sin embargo, esto depende del tejido y debe
investigarse experimentalmente de unos casos a otros. Dependiendo
del resultado, se repite el tratamiento no invasivo bajo con un
control de temperatura de acuerdo con el procedimiento descrito,
hasta que se alcanza la temperatura deseada en el área T de blanco
(tejido o material artificial introducido) o de una envuelta
alrededor del área del blanco.
Pueden proponerse otros sistemas de cálculo no
lineales con el fin de incrementar la precisión del cálculo del
cambio de temperatura, tal como
\DeltaT =
función
(cociente)
donde la función ha de determinarse
de un caso a
otro.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Al calentar una endoprótesis cubierta por un
material que absorba y que refleje los ultrasonidos, tal como
poli(tetrafluoruro de etileno), poliuretano o elastómero,
debe ser posible medir en el margen de 37 a unos 55ºC y, en
relación con el tratamiento del cáncer, de hasta 85ºC. Para el
tratamiento terapéutico de, por ejemplo, músculos, se desea medir
hasta 41ºC con el fin de evitar una temperatura superior.
Se han descrito realizaciones preferidas con el
fin de ilustrar el invento pero, para el experto en la técnica,
resulta evidente que estas realizaciones son ejemplos únicamente y
que pueden llevarse a cabo modificaciones de las mismas sin por
ello apartarse del alcance del invento, como se define en las
reivindicaciones.
Claims (8)
1. Método para le medición no invasiva del
cambio de temperatura de un blanco en el interior de un cuerpo,
transmitiendo un impulso ultrasónico hacia el blanco, sometiendo a
un impulso reflejado desde el blanco a un análisis de frecuencia, y
calculando el cambio de temperatura del blanco a partir de él, en el
que se produce un espectro de frecuencias del impulso reflejado,
caracterizado porque el cambio de temperatura se calcula
para que sea proporcional al cociente de la amplitud de los
armónicos del citado espectro.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
el cálculo incluye el cálculo de un cociente
\frac{Akn-Ak0}{Ak0}
donde Ak0 representa el tamaño de
un pico de frecuencia de un armónico de orden k, basado en la
amplitud o la intensidad medidas en un momento anterior y Akn
representa el tamaño de un pico de frecuencia del citado armónico
medido en un momento n
posterior.
3. El método de la reivindicación 2, en el que
el cambio de temperatura se calcula de acuerdo con la relación
\Delta T =
k\cdot
Q
donde k es una constante
determinada empíricamente y Q es el cociente de la reivindicación
2.
4. El método de la reivindicación 2, en el que
el cociente se calcula para diferentes armónicos representados por
picos de frecuencia en dicho espectro.
5. El método de la reivindicación 2, en el que
la dimensión del armónico está representada por la amplitud del
pico de frecuencia que representa el armónico en el espectro de
frecuencias.
6. El método de la reivindicación 2, en el que
la dimensión del armónico se representa mediante la superficie
definida por el pico de frecuencia que representa el armónico en el
espectro de frecuencias.
7. El método de la reivindicación 6, en el que
la superficie se extiende desde un nivel de ruido definido por el
espectro de frecuencias.
8. Aparato para la medición no invasiva del
cambio de temperatura de un blanco en el interior de un cuerpo, que
comprende medios para transmitir un impulso ultrasónico al blanco,
medios para recibir un impulso reflejado desde el blanco, medios
para realizar un análisis de frecuencia del impulso reflejado,
medios para calcular el cambio de temperatura del blanco a partir
de él, medios para generar un espectro de frecuencias del impulso
reflejado, y medios para el cálculo del cambio de temperatura sobre
la base de armónicos que aparecen en el citado espectro,
caracterizado porque dichos medios para el cálculo del cambio
de temperatura calculan el cambio de temperatura como proporcional
al cociente de la amplitud de los armónicos del mencionado
espectro.
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