ES2683070T3 - Sistema de formación de imágenes de fluorescencia para un bloque quirúrgico - Google Patents

Sistema de formación de imágenes de fluorescencia para un bloque quirúrgico Download PDF

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Abstract

Sistema de formación de imágenes de fluorescencia para un bloque quirúrgico que comprende un dispositivo (B) de iluminación de un bloque quirúrgico apto para emitir una luz blanca y un dispositivo (I) de formación de imágenes de fluorescencia, comprendiendo dicho dispositivo (I) de formación de imágenes de fluorescencia: - una fuente luminosa (S) apta para emitir una radiación de excitación (LE) de un marcador fluorescente en un rango de longitudes de onda de emisión (LF) comprendida entre 600 y 900 nm, - un detector (D) adaptado para detectar la radiación fluorescente (LF) emitida por dicho marcador bajo el efecto de una excitación por dicha fuente luminosa (S), - un filtro (FD) del detector (D) que comprende un filtro paso alto o paso banda (FD1) adaptado para bloquear la radiación de excitación (LE) y transmitir al detector (D) los fotones cuya longitud de onda está incluida en el rango de longitudes de onda de la radiación fluorescente (LF) emitida por dicho marcador, comprendiendo el sistema por otro lado un filtro paso bajo (FB) colocado delante del dispositivo de iluminación (B) y cuya longitud de onda de corte (λBmax) es inferior al rango de emisión (LF) del marcador fluorescente, pudiendo dicho filtro paso bajo (FB) no obstante presentar una subida o unas fluctuaciones de la atenuación para longitudes de onda superiores al rango de emisión (LF) del marcador fluorescente, estando el sistema caracterizado por que el filtro (FD) del detector comprende un filtro paso bajo (FD2) combinado con el filtro paso alto o paso banda (FD1) de tal manera que, en un rango (ZD) de longitudes de onda que se extienden a partir de una longitud de onda de corte superior (λmax) inferior a la longitud de onda a partir de la cual se observa una subida o unas fluctuaciones de la atenuación del filtro paso bajo del dispositivo de iluminación, el producto de la atenuación del filtro (FD) del detector y de la atenuación del filtro paso bajo (FB) del dispositivo de iluminación conduce a una atenuación por un factor de por lo menos 106.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de formacion de imagenes de fluorescencia para un bloque quirurgico.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un sistema de formacion de imagenes de fluorescencia para un bloque quirurgico que comprende un dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico y un dispositivo de formacion de imagenes medicas de fluorescencia.
Antecedentes de la invencion
La formacion de imagenes medicas de fluorescencia es una tecnica prometedora, en particular en las intervenciones quirurgicas, para guiar la accion del cirujano.
Esta tecnica se basa en la administracion al paciente de una sustancia que comprende un marcador fluorescente, por ejemplo para observar un organo o un tejido diana que debe ser objeto de la intervencion quirurgica, o para observar un flujo seguido por el marcador.
Gracias a la presencia del marcador fluorescente en o cerca del organo o del tejido diana, la iluminacion de la region del paciente que comprende el organo tiene como efecto excitar el marcador, que emite a su vez una radiacion a una longitud de onda ligeramente superior a la de la longitud de onda de excitacion.
Las principales aplicaciones se encuentran en el campo del infrarrojo cercano (NIR o “Near InfraRed” segun la terminologfa anglosajona), es decir que la radiacion de excitacion y la radiacion de fluorescencia se situan en el rango de longitudes de onda comprendidas entre 700 y 900 nm.
Una vez detectada, la radiacion fluorescente puede superponerse a una imagen del organo en cuestion, para visualizar el organo o el tejido diana con respecto a la parte externa visible del organo.
La solicitante proporciona asf un dispositivo de formacion de imagenes medicas de fluorescencia comercializado bajo la denominacion Fluobeam™
El principio de la formacion de imagenes de fluorescencia se ilustra de manera esquematica en la figura 1.
El dispositivo de formacion de imagenes I comprende una fuente luminosa S destinada a excitar el marcador fluorescente que se encuentra en una region O de la cual se desea obtener unas imagenes (pudiendo el marcador estar concentrado en esta region o pasar por ella siguiendo un flujo), teniendo la radiacion Ls procurada por la fuente luminosa por efecto hacer fluorescente dicho marcador.
En las aplicaciones medicas, la region O se situa generalmente bajo la piel P de un paciente.
Se hace fluorescente mediante la administracion al paciente de una sustancia que comprende un marcador fluorescente, de manera que el marcador se concentrara o pasara por la region O, y mediante la excitacion del marcador por la radiacion emitida por la fuente luminosa S.
El dispositivo I comprende, por otro lado, un detector D adaptado para detectar y registrar la radiacion fluorescente Lf emitida por el marcador situado en la region O y excitado por la fuente S.
El detector comprende, por ejemplo, una camara CCD.
Con este fin, se filtra (filtro Fs) la fuente luminosa S con el fin de excitar el marcador fluorescente con una radiacion Le que no contiene longitudes de onda que corresponden a la fluorescencia a medir.
Por ejemplo, cuando la fluorescencia a medir esta en el infrarrojo cercano (es decir un campo de longitudes de onda comprendido entre 700 y 900 nm), es necesario suprimir totalmente las longitudes de onda en el campo de fluorescencia, no solo en la radiacion de excitacion, sino tambien en la luz ambiente.
En efecto, en el caso contrario, estas longitudes de onda senan detectadas por el detector D y generanan ruido en la imagen de fluorescencia, perjudicando la calidad de esta.
Aguas arriba del detector D, el dispositivo comprende un filtro Fd adaptado para dejar pasar hacia el detector solo los fotones Lf cuya longitud de onda es la de la fluorescencia.
Para la fluorescencia en el infrarrojo cercano, el filtro Fd es generalmente un filtro paso alto, que transmite todas las longitudes de onda superiores a un umbral dado.
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La figura 2 ilustra el principio de filtrado de un dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia de este tipo y presenta las curvas de transmision T en funcion de la longitud de onda X para la luz ambiente (curva fA), la fuente de excitacion (curva fe) y el detector (curva fD).
En el ejemplo ilustrado en esta figura, la longitud de onda de excitacion es de 780 nm, la luz ambiente se filtra de manera que comprenda esencialmente unas longitudes de onda comprendidas entre 400 y 750 nm, mientras que se filtra el detector para recibir todas las longitudes de onda superiores a 820 nm aproximadamente.
En una intervencion quirurgica, se instala al paciente en una mesa en un bloque quirurgico y se ilumina la zona a operar por un dispositivo de iluminacion espedfico presente en el bloque.
Este dispositivo puede ser, por ejemplo, un dispositivo de iluminacion designado comunmente mediante el termino “escialftico”, que se presenta en forma de una cupula llevada por un brazo y orientada en direccion al paciente de manera que evite cualquier zona de sombra.
El dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia descrito anteriormente se instala tambien en el bloque quirurgico, y se posiciona de manera que visualice convenientemente la region del paciente de la que se desea obtener imagenes y que se detecte la fluorescencia emitida por esta region.
La fuente luminosa de excitacion puede estar fijada, por ejemplo, al propio escialftico mediante un sistema de fijacion apropiado.
Debido a su potencia tan alta (tfpicamente entre 40 y 150 kLux), la iluminacion del bloque quirurgico es susceptible de perturbar la deteccion de la radiacion de fluorescencia produciendo unos fotones que seran detectados por el detector.
Para no deteriorar la calidad de la imagen de fluorescencia, es necesario filtrar la luz proporcionada por el escialftico para que no contenga longitudes de onda que corresponden a la fluorescencia a medir.
Ahora bien, a 150 kLuz, incluso una minima fuga de luz que procede de la iluminacion del bloque quirurgico, en el rango de longitudes de ondas medido por el detector a traves de su filtro, es susceptible de limitar la calidad de las imagenes de fluorescencia.
Por otro lado, las exigencias en terminos de calidad de la iluminacion del bloque quirurgico son drasticas.
Se puede citar para ello la normativa NF EN 60601-2-41 relativa a las reglas particulares de seguridad para las iluminaciones quirurgicas y las iluminaciones de diagnostico.
Asf, la luz emitida es luz blanca que debe presentar una temperatura de color comprendida generalmente entre 3000 K y 6700 K.
Ademas, la normativa estipula que el mdice de reproduccion cromatica (IRC) debe estar comprendido entre el 85 y el 100%, preferentemente del orden del 95%.
Por consiguiente, el filtrado de la luz emitida por el escialftico no debe conducir a una degradacion de las caractensticas mencionadas anteriormente.
Por otro lado, debido a la gran superficie a filtrar para un escialftico (del orden de 0,5 m2), es necesario disenar un filtro que sea poco costoso.
Ya se han descrito unos dispositivos de formacion de imagenes de fluorescencia para guiar intervenciones quirurgicas.
Algunos sistemas, en particular el sistema PDETM propuesto por Hamamatsu y el sistema SPY™ propuesto por Novadaq se libran de la influencia de la luz blanca apagando el escialftico durante la utilizacion del sistema de formacion de imagenes de fluorescencia.
Sin embargo, la extincion de la iluminacion se presta mal a una intervencion quirurgica.
Se han disenado otros dispositivos de tratamiento de fluorescencia para proporcionar una iluminacion en continuo.
En particular, el dispositivo Flare™, asf como su variante Mini-Flare™, han sido objeto de varias publicaciones. Para una utilizacion en bloque quirurgico, se filtra la luz blanca emitida por el escialftico o el dispositivo de
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formacion de imagenes a partir de la longitud de onda de excitacion, de manera que no contenga fotones de una longitud de onda superior a la longitud de onda de excitacion que, para los dispositivos Flare™ y Mini-Flare™ pueden ser de 670 o 760 nm [1]. La referencia [1] describe un sistema tal como se define en el preambulo de la reivindicacion independiente 1. El principio de filtrado del sistema de iluminacion adaptado al dispositivo Flare™ se describe en [2].
Se filtra el detector de la fluorescencia a 700 nm con un filtro paso banda de 689 a 725 nm, mientras que se filtra el detector de la fluorescencia a 800 nm con un filtro paso banda de 800 a 848 nm.
Estos filtros paso banda estan destinados a permitir solo la deteccion de las longitudes de onda que corresponden a la senal de fluorescencia, eliminando las longitudes de onda superiores.
El principio de filtrado del sistema de iluminacion adaptado al dispositivo Mini-Flare™ se describe en [3].
En este dispositivo, un unico detector esta destinado a detectar las longitudes de onda de fluorescencia alrededor de 700 nm y de 800 nm.
El detector es filtrado por un filtro doble paso banda, con una primera banda pasante comprendida entre 689 y 725 nm, y una segunda banda pasante comprendida entre 803 y 853 nm.
Los filtros paso banda utilizados para los dispositivos Flare™ y Mini-Flare™ estan comercializados por la comparua Chroma bajo la referencia HQ 817/25.
Un dispositivo competitivo, propuesto por la comparMa SurgOptics, se describe en [4].
La fuente luminosa de excitacion es un diodo laser a una longitud de onda de 750 nm, mientras que se proporciona la iluminacion del bloque quirurgico mediante una lampara halogena que emite luz blanca.
Se coloca un filtro paso banda Chroma HQ 795/50 aguas arriba del detector para evitar transmitir a este unas longitudes de onda superiores a la longitud de onda de fluorescencia.
Sin embargo, para todos los dispositivos descritos anteriormente, se puede observar en las imagenes obtenidas un fondo de fluorescencia que disminuye el contraste con la fluorescencia emitida por el organo o el tejido de interes.
Los autores atribuyen generalmente este fenomeno a la autofluorescencia de los tejidos.
Sin embargo, para las longitudes de onda del infrarrojo cercano consideradas, la autofluorescencia es insignificante y no puede explicar por sf sola el fondo de fluorescencia observado.
Otra hipotesis para explicar esta calidad insatisfactoria de las imagenes puede ser un filtrado insuficiente de la fuente luminosa de excitacion.
En cualquier caso, sigue existiendo, por lo tanto, la necesidad de mejorar la calidad de las imagenes de fluorescencia en un contexto de bloque quirurgico.
Un objetivo de la invencion es, por lo tanto, proponer un sistema de iluminacion y de filtracion de bloque quirurgico adaptado a la utilizacion de un dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia, y que permita, en particular, optimizar la calidad de la imagen de fluorescencia, incluso en presencia de una iluminacion intensa y continua del campo quirurgico.
Otro objetivo de la invencion es proponer un sistema de filtrado que pueda ser facilmente adaptado a los equipos de iluminacion de bloque quirurgico existentes y a un coste moderado.
Breve descripcion de la invencion
Con este fin, se propone un sistema de formacion de imagenes de fluorescencia para un bloque quirurgico que comprende un dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico apto para emitir una luz blanca y un dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia,
comprendiendo dicho dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia:
- una fuente luminosa apta para emitir una radiacion de excitacion de un marcador fluorescente en un rango de longitudes de onda de emision comprendido entre 600 y 900 nm,
- un detector adaptado para detectar la radiacion fluorescente emitida por dicho marcador bajo el efecto de
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una excitacion por dicha fuente luminosa,
- un filtro del detector que comprende un filtro paso alto o paso banda adaptado para bloquear la radiacion de excitacion y transmitir al detector los fotones cuya longitud de onda esta incluida en el rango de longitudes de onda de la radiacion fluorescente emitida por dicho marcador,
comprendiendo, por otro lado, el sistema de formacion de imagenes un filtro paso bajo dispuesto delante del dispositivo de iluminacion y cuya longitud de onda de corte es inferior al rango de emision del marcador fluorescente, pudiendo dicho filtro paso bajo, sin embargo, presentar una subida o unas fluctuaciones de la atenuacion para unas longitudes de onda superiores al rango de emision del marcador fluorescente.
De acuerdo con la invencion, el filtro del detector comprende un filtro paso bajo combinado con el filtro paso alto o paso banda de tal manera que, en un rango de longitudes de onda que se extiende a partir de una longitud de onda de corte superior del filtro del detector inferior a la longitud de onda a partir de la cual se observa una subida o unas fluctuaciones de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion, el producto de la atenuacion del filtro del detector y de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion conduce a una atenuacion por un factor de por lo menos 106
En el presente texto, el termino “filtro” puede abarcar un filtro elemental o una combinacion de filtros.
Como se explica en detalle mas adelante, este filtrado del detector tiene por efecto suprimir un sesgo y ruido de fondo debidos a la subida del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion que deja pasar una luz parasita suficientemente intensa, debido a la intensidad de la iluminacion del bloque quirurgico, para enmascarar una parte de los fotones de fluorescencia que proceden de las zonas profundas, y que son por lo tanto poco numerosos.
Gracias a esta filtracion, el detector es mas sensible a la senal de fluorescencia que procede de las capas profundas, y produce unas imagenes mas contrastadas.
Por otro lado, en la medida en la que esta filtracion se aplica al detector, que presenta una superficie reducida, su utilizacion no grava el coste del sistema.
Segun un modo de realizacion de la invencion, la longitud de onda de la radiacion de excitacion esta comprendida entre 630 y 810 nm.
De manera preferida, el ancho de la banda en la que el filtro del detector transmite la radiacion fluorescente esta comprendido entre 50 y 70 nm.
Segun una forma de realizacion particularmente ventajosa de la invencion, el rango de longitudes de onda en el que el producto de la atenuacion del filtro del detector y de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion conduce a una atenuacion por un factor de por lo menos 106 se extiende por lo menos hasta la longitud de onda lfmite de deteccion del detector.
Asf, el rango de longitudes de onda en el que el producto de la atenuacion del filtro del detector y de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion conduce a una atenuacion por un factor de por lo menos 106 se extiende preferentemente por lo menos hasta 1000 nm, y de manera aun mas preferida hasta 1150 nm.
Por otro lado, en el rango de longitudes de onda transmitidas por el filtro del detector, el filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion presenta una atenuacion por un factor de por lo menos 106
El dispositivo de iluminacion puede comprender una cupula de iluminacion que puede ser posicionada por un brazo articulado.
De manera alternativa, el dispositivo de iluminacion puede comprender una lampara frontal destinada a estar dispuesta sobre la cabeza del cirujano.
Segun un modo de realizacion, el dispositivo de iluminacion esta adaptado para proporcionar una iluminacion continua.
Segun otro modo de realizacion, el dispositivo de iluminacion esta adaptado para proporcionar una iluminacion pulsada.
Preferentemente, el dispositivo de iluminacion comprende unos diodos electroluminiscentes.
Por otro lado, la potencia del dispositivo de iluminacion es ventajosamente superior o igual a 40 kLux.
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El detector puede ser una camara CCD o CMOS.
Segun un modo de realizacion particular, la longitud de onda de excitacion es de 780 nm y el filtro del detector transmite la radiacion en una banda comprendida entre 820 y 850 nm.
Segun otro modo de realizacion, la longitud de onda de excitacion es de 750 nm y el filtro del detector transmite la radiacion en una banda comprendida entre 780 y 870 nm.
Breve descripcion de los dibujos
Otras caractensticas y ventajas de la invencion se desprenderan de la descripcion detallada siguiente, en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es un esquema de principio del dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia,
- la figura 2 es un grafico que presenta el principio de la filtracion de la luz ambiente, de la luz de excitacion y del detector en el marco de la formacion de imagenes de fluorescencia,
- la figura 3 es un esquema de principio de un sistema de formacion de imagenes segun la invencion,
- las figuras 4A y 4B presentan respectivamente los espectros de iluminacion de bloque quirurgico por unas lamparas halogenas y por unos diodos electroluminiscentes,
- la figura 5 ilustra la curva de transmision de un filtro paso bajo utilizado en iluminaciones de bloque quirurgico existentes y que presentan unos rebotes de la atenuacion entre 800 y 900 nm,
- la figura 6 ilustra la curva de transmision de un filtro paso bajo que se puede utilizar para filtrar la iluminacion del bloque quirurgico,
- la figura 7A y 7B ilustran las curvas de transmision de filtros paso banda empleados para filtrar el detector de algunos dispositivos de formacion de imagenes de fluorescencia del mercado,
- la figura 8A ilustra la curva de sensibilidad de un sensor CCD del detector en funcion de la longitud de onda,
- la figura 8B ilustra la curva de la eficacia cuantica de un sensor CMOS del detector en funcion de la longitud de onda,
- las figuras 9A a 9c ilustran respectivamente las curvas de transmision del filtro paso bajo de la iluminacion de bloque quirurgico, del filtro paso banda del detector segun un modo de realizacion de la invencion, y del filtro paso banda del detector,
- las figuras 10A y 10B son unas imagenes de fluorescencia obtenidas respectivamente con un sistema de filtracion del detector segun el estado de la tecnica y con un sistema de acuerdo con la invencion,
- la figura 11 presenta unos histogramas obtenidos respectivamente con un sistema de filtracion del detector segun el estado de la tecnica y con un sistema de acuerdo con la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
La figura 3 es un esquema de conjunto del sistema segun un modo de realizacion de la invencion.
Este sistema comprende un dispositivo B de iluminacion de bloque quirurgico y un dispositivo I de formacion de imagenes de fluorescencia, orientados hacia una region O que simboliza una parte de un paciente (ser humano o animal) dela cual se desea obtener unas imagenes de fluorescencia, y en la que se inyecta con este fin un marcador fluorescente.
Dicho dispositivo I de formacion de imagenes de fluorescencia es ventajosamente un dispositivo comercializado por la solicitante bajo el nombre de Fluobeam™.
Este dispositivo I comprende una fuente luminosa S apta para emitir una radiacion de excitacion Le del marcador fluorescente situado o que pasa por la region O a observar en un rango de longitudes de onda de emision Lf comprendido entre 600 y 900 nm, y un detector D adaptado para detectar la radiacion fluorescente Lf emitida por dicho marcador bajo el efecto de una excitacion por dicha fuente luminosa S.
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Para efectuar la medicion de fluorescencia, se filtra el detector mediante un filtro Fd que elimina las longitudes de onda de la radiacion visible, que corresponden a la iluminacion del bloque quirurgico, dejando al mismo tiempo pasar las longitudes de onda del infrarrojo cercano que corresponden a la fluorescencia.
Segun un modo de realizacion preferido, el filtro del detector comprende un filtro paso banda Fdi cuya banda pasante esta situada en las longitudes de onda del infrarrojo cercano que corresponden a la fluorescencia. Un ejemplo de curva de transmision de este filtro paso banda se presenta en las figuras 7A y 7B, que se comentan mas adelante.
De manera alternativa, el filtro del detector puede transmitir tambien las longitudes de onda inferiores a la radiacion visible sin apartare por ello del marco de la presente invencion. Sin embargo, en aras de la brevedad, se podra utilizar en la continuacion del texto la expresion “paso banda” para estas dos variantes.
El filtro Fd puede estar constituido asf por una combinacion de filtros que permiten obtener los intervalos de atenuacion y de transmision deseados.
Segun una forma de realizacion de la invencion, ilustrada en la figura 3, el dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico es un escialftico, es decir una fuente luminosa de gran dimension destinada a iluminar el campo quirurgico con una luz blanca evitando cualquier zona de sombra constituida por ejemplo por la cabeza y las manos del cirujano, los instrumentos empleados, etc.
Se trata de una fuente luminosa muy potente (40 kLux o mas, frecuentemente hasta 150 kLux).
La normativa NF EN 60601-2-41 citada anteriormente impone por otro lado el respeto de un cierto rango de temperatura de color, asf como de un cierto rango de mdice de reproduccion cromatica (IRC).
En la actualidad, la temperatura de color debe estar comprendida generalmente entre 3000 K y 6700 K y el mdice de reproduccion cromatica debe estar comprendido entre el 85 y el 100%, preferentemente del orden del 95%.
El escialftico se presenta generalmente en forma de una cupula que comprende una pluralidad de lamparas.
Esta cupula generalmente es solidaria a un brazo articulado fijado al techo o a cualquier soporte apropiado del bloque quirurgico, de manera que pueda ser orientada hacia la zona de intervencion para proporcionar al cirujano una iluminacion con el mejor contraste posible.
Segun otra forma de realizacion de la invencion (no ilustrada), el dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico es una lampara frontal que esta destinada a ser colocada sobre la cabeza del cirujano.
Salvo el hecho de que el haz luminoso este mas focalizado con lampara frontal de este tipo que con un escialftico, las restricciones relacionadas con la calidad de la iluminacion (en particular en terminos de potencia, de temperatura de color y de mdice de reproduccion cromatica) son las mismas para estos dos tipos de dispositivos.
En consecuencia, la solucion de filtracion segun la invencion y que se describe en detalle mas adelante se aplica para cualquier dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico, ya se trate de un escialftico o de una lampara frontal.
Las iluminaciones de bloque quirurgico actuales comprenden o bien unas lamparas halogenas, o bien unos diodos electroluminiscentes (LED), tendiendo estos ultimos a sustituir a las primeras.
La figura 4A presenta el espectro de una iluminacion de tipo halogeno, que presenta un mdice de reproduccion cromatica de 91,5, un flujo luminoso por unidad de superficie de 66 kLux y una temperatura de color de 4000 K.
La figura 4B presenta el espectro de una iluminacion de diodos electroluminiscentes (LED), que presenta un mdice de reproduccion cromatica de 90,5, un flujo luminoso por unidad de superficie de 60 kLux y una temperatura de color de 3719 K.
La comparacion de estos dos espectros muestra que la iluminacion con LED proporciona un nivel de luz para las longitudes de onda superiores a 700 nm mucho mas bajo que la iluminacion halogena.
Por lo tanto, es ventajoso, para utilizar el dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia en el infrarrojo cercano en bloque quirurgico, elegir una iluminacion con LED permitiendo esta eliminar mas facilmente la componente infrarroja.
Para evitar que las longitudes de onda infrarroja del dispositivo de iluminacion se transmitan, se coloca delante
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de este un filtro paso bajo Fb, cuya frecuencia de corte es del orden de 700 a 750 nm.
La figura 5 presenta el espectro de un filtro interferencial paso bajo utilizado comunmente para cortar el infrarrojo cercano de la iluminacion de bloque quirurgico.
Debido a la gran superficie del dispositivo de iluminacion (tfpicamente del orden de 0,5 m2), la solucion tecnica mas razonable economicamente para la filtracion de la iluminacion de bloque quirurgico es la utilizacion de un filtro interferencial de bajo coste.
Sin embargo, en este tipo de filtro, se observan rebotes (designados mediante las flechas) de la atenuacion entre 800 y 900 nm, que generan luz parasita en las longitudes de onda de fluorescencia.
Un filtro de este tipo no es por lo tanto utilizable para la aplicacion considerada.
Se elige por lo tanto un filtro interferencial mas eficaz en el rango de longitudes de onda de fluorescencia, que permite filtrar la iluminacion del escialftico o de la lampara frontal de manera muy franca en un rango de longitudes de ondas por encima de 700 o 750 nm, con el fin de no deteriorar el mdice de reproduccion cromatica o por lo menos poder restaurarlo anadiendo una componente roja.
El experto en la materia sabra seleccionar, de entre los filtros comercializados del mercado, un filtro que presenta las prestaciones requeridas, o hacer fabricar por una comparfta especializada el filtro adecuado en base a las especificaciones.
La figura 6 presenta el espectro de un filtro interferencial que se puede utilizar para filtrar el escialftico o la lampara frontal para la realizacion de la invencion.
Este presenta una buena atenuacion entre 800 y 900 nm, pero un aumento significativo (designado por las flechas) de la atenuacion por encima de 900 nm.
Cuando se filtra el escialftico o la lampara frontal mediante este tipo de filtro, existe por lo tanto, en el espectro de iluminacion, luz parasita en las grandes longitudes de onda del infrarrojo cercano, es decir alrededor de 900 nm.
Esta luz parasita esta designada por la referencia Lpara en la figura 3.
Como se observara mas adelante, este aumento puede ser compensado por un filtrado paso bajo del detector que corta las longitudes de onda elevadas correspondientes.
Por otro lado, de manera conocida, el filtrado del detector D comprende generalmente un filtro paso banda Fdi destinado a que solo se detecten los fotones que corresponden a la fluorescencia Lf emitida por el marcador.
De manera general, es apropiado un ancho de banda pasante del orden de 50 a 70 nm, siendo el valor de las longitudes de onda de corte inferior y superior (anotadas respectivamente Xn y Xsup) seleccionado en funcion del espectro de emision de fluorescencia del marcador considerado.
Ahora bien, los inventores han constatado que los filtros paso banda utilizados en los dispositivos del mercado presentaban en realidad un aumento o unos rebotes de la atenuacion para las longitudes de onda comprendidas entre 800 y 1000 nm.
La figura 7A presenta asf el espectro de un filtro Chroma HQ817-25 que se utiliza por ejemplo en los sistemas Flare™ y Mini-Flare™ descritos anteriormente.
Se observa una atenuacion muy buena entre 850 y 1040 nm, pero unos rebotes importantes (designados por las flechas) a partir de 1050 nm.
La figura 7B presenta, por su parte, el espectro de un filtro Chroma HQ765/50 que se utiliza por ejemplo en el sistema SurgOptix mencionado anteriormente.
Se observa una atenuacion muy buena entre 830 y 940 nm, pero unos rebotes significativos (designados por las flechas) entre 950 y 1050 nm).
No es habitual interesarse por el comportamiento de los filtros en las longitudes de onda superiores a 900 nm.
En efecto, se considera habitualmente que para estas longitudes de onda, la sensibilidad de los detectores (sensores CCD o CMOS) es baja y que los LED de la iluminacion del bloque quirurgico ya no emiten.
Ademas, en las aplicaciones tradicionales de fluorescencia, la iluminacion ambiente es relativamente poco
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potente, de manera que la luz parasita para tales longitudes de onda influye poco sobre la senal medida por el detector.
Sin embargo, los inventores han constatado que el detector presentaba todavfa una cierta sensibilidad hasta 1000 nm, incluso mas.
La figura 8A ilustra asf la sensibilidad en funcion de la longitud de onda de un sensor CCD utilizado tipicamente en un dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia tal como el dispositivo Fluobeam™
La figura 8B ilustra la eficacia cuantica (QE) en funcion de la longitud de onda de un sensor CMOS, que se podna utilizar tambien en el dispositivo de formacion de imagenes de fluorescencia.
Estos tipos de sensores presentan una sensibilidad elevada para las longitudes de onda visibles y una sensibilidad mas debil pero todavfa significativa para las longitudes de onda que corresponden al infrarrojo cercano.
Aunque esta sensibilidad es debil, en la medida en la que la iluminacion proporcionada por el dispositivo del bloque quirurgico es muy potente (pudiendo alcanzar 150 kLux), la luz parasita que resulta de la mala atenuacion por el filtro paso bajo del escialttico o de la lampara frontal y el filtro paso banda del detector es suficientemente importante para producir un ruido de fondo significativo en la senal de fluorescencia medida por el sensor.
Partiendo de estas consideraciones, un enfoque intuitivo consistina en mejorar el filtrado del dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico.
En efecto, se puede considerar que, si se utiliza correctamente, este filtrado permitina suprimir en la fuente todos los fotones parasitos. Asf, el detector detectana solamente los fotones de fluorescencia, en particular los que corresponden a las longitudes de onda mas elevadas.
Sin embargo, como se ha indicado anteriormente, frente a la superficie del dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico (del orden de 0,5 m2 por un escialttico), el coste de un filtro adecuado sena prohibitivo.
Por otro lado, incluso si esta solucion permitiera detectar mas fotones, estos son poco numerosos y la sensibilidad del detector a las longitudes de onda correspondientes es debil.
Finalmente, la adicion de un filtro suplementario tendna el riesgo de modificar el mdice de reproduccion cromatica y la temperatura de color de la iluminacion del bloque quirurgico.
Los inventores han elegido, por el contrario, aplicar un filtrado suplementario al detector, a pesar de la perdida de fotones detectables por el detector, yendo asf en contra del prejuicio segun el cual un filtro adicional conducina a disminuir la calidad de la senal medida por el detector.
En efecto, se podna temer, filtrando mas el detector, no detectar suficientes fotones para proporcionar imagenes suficientemente contrastadas.
El filtrado adicional del detector consiste en un filtro paso bajo que, por encima de la longitud de onda de corte, presenta una atenuacion muy fuerte.
En otras palabras, el filtro Fd del detector D comprende un filtro paso banda o paso alto Fdi (vease la figura 9c) combinado con un filtro paso bajo Fd2 (vease la figura 9b) que transmite unas longitudes de onda del infrarrojo cercano que deben ser detectadas por el detector y en el que, por encima de su longitud de onda de corte superior Xmax, el producto de las atenuaciones del filtro del dispositivo de iluminacion del bloque quirurgico y del filtro del detector conduce a una atenuacion de por lo menos un factor 106.
Se debe respetar esta condicion preferentemente por lo menos hasta el lfmite de deteccion del detector D.
El rango de longitudes de onda afectado por esta atenuacion drastica esta esquematizado por la zona Zd en la figura 9b, que presenta simultaneamente las curvas de transmision del filtro de la iluminacion del bloque quirurgico (figura 9a, que corresponde a la figura 6 comentada anteriormente) y de un ejemplo de filtro paso bajo adicional Fd2 apropiado para el detector (figura 9b), y de un ejemplo de filtro paso banda Fdi del detector (figura 9c, que corresponde a la figura 7A comentada anteriormente).
Naturalmente, las curvas de transmision presentadas en la presente memoria lo son a tftulo puramente ilustrativo, y el experto en la materia podra hacer variar las caractensticas de transmision y las longitudes de onda de corte en funcion de las especificidades de la iluminacion de bloque quirurgico y del dispositivo de formacion de imagenes consideradas.
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En la eleccion del filtro del dispositivo de iluminacion de bloque quirurgico, conviene ademas vigilar que el filtro paso bajo Fb del escialttico o de la lampara frontal no transmita ninguna longitud de onda que deba ser medida por el detector (en otras palabras, la longitud de onda de corte XBmax del filtro paso bajo Fb es inferior a la longitud de onda de corte bajo Xn del filtro paso banda Fdi cuya banda pasante BP esta comprendida en la zona Zb en la figura 9a, que corresponde a una atenuacion de la iluminacion de bloque quirurgico por un factor de por lo menos 106, preferentemente en por lo menos 107) y que los aumentos o fluctuaciones de la atenuacion del filtro paso bajo Fb del escialttico o de la lampara frontal intervengan solo para unas longitudes de onda situadas por encima de la banda pasante BP del filtro del detector.
Como se ilustra en las figuras 9a y 9b, el aumento del filtro paso bajo Fb del escialttico o de la lampara frontal empieza a partir de una longitud de onda situada por encima de la banda pasante BP del detector pero, como esta situada por encima de la frecuencia de corte Xmax, este aumento esta atenuado por el filtro Fd2 (zona ZD en la figura 9b).
En la figura 9b, se constata que el filtro suplementario Fd2 del detector presenta una subida importante hacia 1200 nm; sin embargo, esta longitud de onda es superior a la longitud de onda lfmite de deteccion del detector, de manera que esta subida no tiene ninguna incidencia sobre la calidad de las imagenes.
El experto en la materia podra elegir, de entre los filtros comercializados en el mercado, un filtro que presente las prestaciones requeridas, o hacer fabricar por una compama especializada el filtro adecuado en base a las especificaciones de filtracion del detector.
Los inventores han verificado de manera sorprendente que la calidad de las imagenes y la separacion entre las diferentes estructuras estaban claramente mejoradas con este filtrado suplementario del detector.
En particular, han observado que este permitfa suprimir un sesgo y ruido de fondo que enmascaraban los fotones de fluorescencia que proceden de las zonas profundas, y que son por lo tanto poco numerosos.
El detector asf filtrado es entonces mas sensible a la sefal de fluorescencia que procede de las capas profundas, y produce unas imagenes mas contrastadas.
Por otro lado, en la medida en la que la superficie del detector es mucho mas reducida que la del escialttico, el uso de un filtro muy eficaz para obtener una atenuacion por un factor superior a 106 en las longitudes de ondas elevadas no penaliza economicamente el sistema.
A tttulo ilustrativo no limitativo, el dispositivo Fluobeam™ comercializado por la solicitante presenta, en un primer modo de realizacion, una longitud de onda de excitacion de 780 nm y una banda pasante del filtro paso banda Fd comprendida entre 820 y 850 nm; en un segundo modo de realizacion, la longitud de onda de excitacion es de 750 nm y la banda pasante del filtro paso banda Fd esta comprendida entre 780 y 870 nm.
Naturalmente, los valores numericos dados anteriormente lo son a tftulo puramente ilustrativo y el experto en la materia podra, en funcion de los filtros a su disposicion y de las longitudes de onda de fluorescencia a detectar, utilizar los filtros adecuados para la iluminacion del bloque quirurgico y el detector.
Resultados experimentales
Se efectuo una intervencion quirurgica en el corazon de un animal, utilizando el sistema descrito anteriormente, en las mismas condiciones experimentales con la excepcion, en el segundo caso, de la adicion del filtrado adicional del detector descrito anteriormente (cuya curva de transmision se da en la figura 9b).
Las figuras 10A y 10B son unas imagenes de fluorescencia del corazon registradas despues de la inyeccion del verde de indocianina (ICG), respectivamente sin y con el filtro paso bajo suplementario del detector.
Se observa que con el sistema de acuerdo con la invencion, se observan mucho mas vasos sangumeos situados en profundidad.
Este resultado se puede observar tambien en la figura 11, que presenta un histograma obtenido en una zona fuera de las coronarias, sin (curva (a)) y con (curva (b)) el filtro paso bajo suplementario del detector.
En este histograma, uno de los modos corresponde a la superficie del corazon y el otro a los vasos profundos.
La comparacion de estas dos curvas muestra claramente que el aspecto bimodal del histograma es mucho mas alto en la imagen adquirida con el filtro paso bajo suplementario del detector que sobre la adquirida sin este filtro.
Resulta de ello que el filtro adicional aumenta sustancialmente el contraste de los vasos profundos.
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Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de formacion de imagenes de fluorescencia para un bloque quirurgico que comprende un dispositivo (B) de iluminacion de un bloque quirurgico apto para emitir una luz blanca y un dispositivo (I) de formacion de imagenes de fluorescencia,
    comprendiendo dicho dispositivo (I) de formacion de imagenes de fluorescencia:
    - una fuente luminosa (S) apta para emitir una radiacion de excitacion (Le) de un marcador fluorescente en un rango de longitudes de onda de emision (Lf) comprendida entre 600 y 900 nm,
    - un detector (D) adaptado para detectar la radiacion fluorescente (Lf) emitida por dicho marcador bajo el efecto de una excitacion por dicha fuente luminosa (S),
    - un filtro (Fd) del detector (D) que comprende un filtro paso alto o paso banda (Fdi) adaptado para bloquear la radiacion de excitacion (Le) y transmitir al detector (D) los fotones cuya longitud de onda esta incluida en el rango de longitudes de onda de la radiacion fluorescente (Lf) emitida por dicho marcador,
    comprendiendo el sistema por otro lado un filtro paso bajo (Fb) colocado delante del dispositivo de iluminacion (B) y cuya longitud de onda de corte (ABmax) es inferior al rango de emision (Lf) del marcador fluorescente, pudiendo dicho filtro paso bajo (Fb) no obstante presentar una subida o unas fluctuaciones de la atenuacion para longitudes de onda superiores al rango de emision (Lf) del marcador fluorescente,
    estando el sistema caracterizado por que el filtro (Fd) del detector comprende un filtro paso bajo (Fd2) combinado con el filtro paso alto o paso banda (Fdi) de tal manera que, en un rango (Zd) de longitudes de onda que se extienden a partir de una longitud de onda de corte superior (Amax) inferior a la longitud de onda a partir de la cual se observa una subida o unas fluctuaciones de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion, el producto de la atenuacion del filtro (Fd) del detector y de la atenuacion del filtro paso bajo (Fb) del dispositivo de iluminacion conduce a una atenuacion por un factor de por lo menos 106
  2. 2. Sistema segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la longitud de onda de la radiacion de excitacion esta comprendida entre 630 y 810 nm.
  3. 3. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el ancho de la banda en el que el filtro del detector transmite la radiacion fluorescente esta comprendido entre 50 y 70 nm.
  4. 4. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el rango (Zd) de longitudes de onda en el que el producto de la atenuacion del filtro del detector y de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion (B) conduce a una atenuacion por un factor de por lo menos 106 se extiende por lo menos hasta la longitud de onda lfmite de deteccion del detector (D).
  5. 5. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el rango de longitudes de onda en el que el producto de la atenuacion del filtro del detector (D) y de la atenuacion del filtro paso bajo del dispositivo de iluminacion (B) conduce a una atenuacion por un factor de por lo menos 106 se extiende por lo menos hasta 1000 nm, preferentemente hasta 1150 nm.
  6. 6. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que en el rango (Am, Asup) de longitudes de ondas transmitido por el filtro del detector, el filtro paso bajo (Fb) del dispositivo de iluminacion (B) presenta una atenuacion por un factor de por lo menos 106
  7. 7. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el dispositivo de iluminacion (B) comprende una cupula de iluminacion posicionable por un brazo articulado.
  8. 8. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el dispositivo de iluminacion (B) comprende una lampara frontal.
  9. 9. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el dispositivo de iluminacion (B) esta adaptado para proporcionar una iluminacion continua.
  10. 10. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el dispositivo de iluminacion esta adaptado para proporcionar una iluminacion pulsada.
  11. 11. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que el dispositivo de iluminacion (B) comprende unos diodos electroluminiscentes.
  12. 12. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que la potencia del dispositivo de
    iluminacion es superior o igual a 40 kLux.
  13. 13. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que el detector (D) es una camara CCD o CMOS.
    5
  14. 14. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que la longitud de onda de excitacion es de 780 nm, y por que el filtro (Fd) del detector transmite la radiacion en una banda comprendida entre 820 y 850 nm.
    10 15. Sistema segun una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por que la longitud de onda de excitacion es
    de 750 nm, y por que el filtro (Fd) del detector transmite la radiacion en una banda comprendida entre 780 y 870 nm.
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