FR2826462A1 - Dispositif d'irradiation selective d'une surface - Google Patents

Dispositif d'irradiation selective d'une surface Download PDF

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Abstract

Le dispositif irradie sélectivement une surface à traiter, la répartition spatiale du rayonnement étant asservie à cadence vidéo sur son image bidimensionnelle retraitée. De ce fait, les zones à côté de celles à irradier ne sont pas atteintes par l'irradiation même en cas d'un mouvement de la surface cible. La surface objet (1. 1) à irradier est éclairée par une source lumineuse (2). Une partie de la lumière rétrodiffusée par la surface est envoyée par un système de séparation de la lumière (3) vers une caméra vidéo (5). L'image obtenue est filtrée et remise en forme en temps réel par un dispositif (6) de traitement électronique. L'image traitée est transmise au système de contrôle (7. 3) du système de vidéoprojection (7) dont la surface active (7. 21) est alimentée par une source (9) de lumière traitante. Selon l'état du pixel du système de projection, la lumière issue de la source (9) est projetée à travers la lentille de projection (7. 1) ou non vers l'image de ce pixel sur la surface (1. 1) à irradier. La fin de parcours de la lumière traitante est la même, mais en sens inverse, que celle de la lumière ayant servi à imager la surface (1. 1). Ceci assure le suivi de la surface à traiter par l'irradiation en cas du déplacement relatif entre l'appareil de traitement et la surface à traiter. Le dispositif s'applique aux traitements des surfaces, en particulier aux surfaces biologiques.

Description

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Figure img00010001
L'invention est un dispositif d'irradiation spatialement sélectif d'une surface à traiter asservi en temps réel sur son image à cadence video.
Le dispositif est destiné au traitement des surfaces, notamment dans le domaine médical.
L'utilisation du rayonnement, notamment laser, pour traiter les surfaces est maintenant largement répandu. Une première technique de traitement laser de surface consiste à manipuler le faisceau à la main ou via un système de translation XY après un contrôle visuel de la surface, souvent obtenu par l'intermédiaire d'une loupe binoculaire, d'un microscope ou d'une caméra vidéo. Cette technique présente les inconvénients suivants : - le recalage entre l'image visuelle ou vidéo et la surface à traiter est complexe et constamment à refaire pour chaque nouvelle surface.
- le déplacement du faisceau laser prend du temps, et le trajet du faisceau n'est plus contrôlé en cas de mouvement de la surface par rapport à la position initiale (bouger d'un patient en traitement laser dermatologique par exemple) - l'irradiation de la surface ne peut pas varier en temps réel avec l'évolution de l'état de surface en cours de traitement.
- La durée du traitement devient importante dès que l'on désire une résolution spatiale élevée. On a recours dans ce cas à un balayage point par point d'un faisceau focalisé.
Une autre technique utilisée pour détruire des cellules malades est connue sous le nom PDT (Photo Dynamic Therapy). Elle consiste en une première étape à injecter des substances chimiques capables d'interagir qu'avec les cellules malades puis d'irradier le plus uniformément possible la surface correspondante par un rayonnement de longueur d'onde correspondant au spectre d'absorption de l'agent photoréactif injecté. Dans ce domaine plusieurs brevets ont été déposés, ces derniers ne diffèrent en général que par la nature du photosyntétiseur introduit et du type de cellules malades à traiter. Certaines méthodes de PDT utilisent un traitement contrôlé en temps réel, par exemple le dispositif proposé par Chen James [WO 01/05316 Al] : l'intensité globale d'irradiation est ajustée en fonction de l'imagerie ultrasonique. Ce type de dispositif introduit un contrôle en temps réel de la dose du rayonnement, mais sans sélectivité spatiale de l'irradiation.
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Une autre technique destinée à distribuer un rayonnement sur une surface à traiter est connue sous le nom de thermothérapie. Parmi les dispositifs décrits dans ce domaine, nous pouvons citer par exemple le dispositif destiné pour la dépilation laser proposé par Ota, Yasuo et al, [EP 1 031 324 Al]. La technique utilisée consiste à balayer un premier faisceau laser sur la peau provoquant une élévation de température de la mélanine détectée par un thermographe. Un second faisceau laser permet de dépiler la portion de la peau détectée, en se basant sur le résultat du premier balayage.
D'autres techniques qui utilisent des systèmes d'asservissement en temps réel ont étés développées. On peut citer par exemple celle publiée par Dumoulin-Whiter et al [EP 1 075 854 A2] où la dépendance radiale de la diffusion du rayonnement par le tissu à traiter a été reliée à la dépendance de la fluence en fonction de la profondeur de pénétration du rayonnement. Le contrôle de l'irradiation se base sur l'analyse de la lumière rétrodiffusée par l'impact du faisceau laser sur la peau. Dans les deux exemples précédents, il s'agit de techniques du traitement point par point ne permettant pas à la fois la prise en compte de la surface globale à traiter pour la dose du rayonnement à distribuer et l'affranchissement de bouger du patient. Cette limitation est due à la durée nécessaire pour balayer point par point toute la surface. La résolution est limitée par les dimensions du spot laser, de faibles dimensions, allongeant considérablement le temps du traitement.
De plus toutes les méthodes précédemment décrites ne permettent pas de contrôler l'impact du rayonnement au micron près. Les cellules saines avoisinantes sont alors inutilement endommagées, ce qui peut provoquer des effets secondaires.
Dans le même contexte technologique, mais à finalité de diagnostique et non de traitement de surface, un dispositif destiné à illuminer une surface a été développé récemment par Hosoda Seiichi et al [EPI 079 255 A2]. Il s'agit d'un dispositif de source de lumière pour endoscope utilisant un DMD (Digital Micromirror Device) permettant de moduler l'intensité de lumière envoyée vers l'entrée du guide de lumière de l'endoscope. L'introduction du DMD permet une illumination spatiale sélective ce qui permet d'améliorer la qualité d'image de la surface observée à l'endoscope. Le réglage de l'image est basé sur une observation visuelle du médecin, qui lui permet d'augmenter ou diminuer la luminence d'une partie de l'image par le contrôle du DMD. La résolution spatiale d'un contrôle visuel de l'image est inférieure à la résolution des capteurs, et
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l'ajustement est forcement différé de quelques secondes et est donc sensible au bouger du patient ou de l'instrument.
La présente invention décrit un dispositif d'irradiation spatialement sélectif asservi en temps réel (cadence vidéo) sur l'imagerie de la surface à traiter afin de localiser l'irradiation sur les zones à traiter en épargnant les zones connexes, et en annulant les décalages dans l'irradiation induits par le bouger relatif de la surface et de l'instrument.
Selon l'invention, la surface objet à traiter par irradiation est éclairée par une source de lumière de faible intensité. Une partie de la lumière rétrodiffusée est réfléchie par un séparateur de lumière (la partie transmise n'est pas utilisée) vers un miroir puis une camera vidéo. Le signal vidéo intercepté est numérisé et traité en temps réel par logique programmable selon des critères de sélectivité et remise en forme de l'image dépendant de l'application désirée. Le signal vidéo traité est transmis à un système de contrôle qui permet de commander le système de projection. La surface active du système de projection est alimentée par une source de lumière traitante de forte intensité (laser par exemple). L'image correspondant au signal vidéo traité est projetée vers la surface objet à travers un objectif qui conjugue la surface active du système de projection et la surface objet à traiter. Le système de projection du rayonnement est disposé de façon à ce que son axe optique passe par le séparateur de lumière, la partie transmise étant colinéaire avec la partie d'axe optique de la caméra située entre le séparateur et la surface à traiter. De cette façon l'image projetée reprend la même partie de chemin optique initial de la lumière diffusée par la surface à traiter mais en sens inverse. Dans le cas d'un traitement de signal transparent (le signal capté par la caméra est envoyé vers le système de projection sans être modifié) l'image projetée est identique, de même dimension et position que celle diffusée par la surface à traiter quelle que soit sa position dans le champ.
Le système de séparation de lumière introduit une symétrie de l'image de la surface à traiter par rapport à son plan. Cette symétrie est corrigée par un miroir (ou un nombre impair de miroirs) placé entre le système de séparation et la caméra pour obtenir une image sur la caméra de même orientation que la surface objet.
Le système de séparation de lumière peut être placé soit entre l'objectif de projection et la surface à traiter soit entre la surface active du système de projection et l'objectif de ce dernier. Ainsi l'irradiation et la lumière diffusée par la surface à traiter
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possèdent une portion commune de chemin optique mais de sens inverse. De cette façon, le système fait coïncider par retour inverse de la lumière la position de l'image d'irradiation traitante avec l'image rétrodiffusée par la surface à traiter.
La caméra vidéo utilisée pour capter l'image de la surface à traiter peut être une matrice CCD (Charge Coupled Device), une camera CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor), une caméra infrarouge ou un autre système d'imagerie optique bidimensionnel.
Le traitement de l'image correspondant à la surface à traiter consiste, en un premier temps, à une procédure de restauration éliminant les bruits liés au contexte de l'acquisition et au capteur, puis à la recherche d'un seuil permettant de corriger le niveau de gris dans le but d'accroître le contraste. L'étape suivante consiste à localiser les microsurfaces qui seront les cibles de l'irradiation. Une fois les cibles localisées, le niveau de gris de chaque pixel est modifié de façon à ce qu'une brillance maximale soit attribuée aux zones cibles alors que les zones connexes sont assombries. Le nouveau signal vidéo sera utilisé pour la projection de l'image correspondante. De cette façon l'image projetée (la lumière de projection est de forte intensité) est constituée de zones éclairées correspondant aux zones cibles qui seront les seules atteintes par le rayonnement.
Les objectifs LI et L2 respectivement du système de vidéoprojection et de la caméra vidéo sont calculés et positionnés de façon à ce que le grandissement introduit par la boucle caméra vidéo, transfert d'image caméra-projecteur et système de projection soit égal à l'unité. De cette façon chaque pixel du système de projection est individuellement contrôlée à partir de l'image remise en forme de la camera vidéo.
Le système de modulation de l'irradiation peut être un système fonctionnant en mode de transmission telle qu'une matrice LCD (Liquid Cristal Device) ou en mode de réflexion telle qu'une matrice DMD (Digital Micromirror Device) supportant les flux lumineux intenses requis dans certaines applications. Dans le cas de la matrice LCD la source de lumière traitante est placée derrière son plan et le rayonnement est étalé sur toute sa surface active. Selon l'état de chaque pixel, l'irradiation sera transmise à la surface à traiter ou bloquée et la micro surface correspondante de la zone à traiter sera atteinte ou non par l'irradiation. Dans le cas de la matrice DMD, le rayonnement est étalé aussi sur toute la surface active ; si le micromiroir fait un angle de +10 avec le plan de la
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matrice, le rayonnement est réfléchi vers la micro surface à irradier, s'il fait un angle de- 10 le rayonnement est envoyé vers une surface absorbante de blocage.
Pour explorer et traiter des surfaces très petites ou des cavités à l'intérieur du corps, un système optique (microscope ou endoscope...) est placé entre la surface à traiter et le dispositif. Le principe reste le même, le rôle de la surface à traiter étant pris par l'image de cette surface par le système optique additionnel.
La source de lumière traitante est une diode laser de puissance (ou un ensemble de diodes), un laser de puissance ou dans certains cas de la lumière blanche. Le faisceau laser peut être transmis vers la surface active du système de projection soit de manière directe, soit par un guide à fibre optique. Le faisceau laser est alors focalisé à l'entrée du guide à l'aide d'un objectif de microscope par exemple et la lumière sortant du guide est étalée par un système optique sur toute la surface active du système de projection.
La résolution spatiale et temporelle de l'illumination sélective est celle de l'imagerie vidéo et dépend des grossissements des optiques utilisées.
La description est décrite ci-après en détail en référence aux figures schématiques annexées, dont : - La figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention utilisant une matrice DMD comme système de modulation de lumière ;
Figure img00050001

- La figure 2 représente schématiquement une autre configuration du système de vidéoprojection ;
La figure 3 représente schématiquement la réflexion du rayonnement par la matrice DMD ; - La figure 4. A représente schématiquement le parcours du rayonnement traitant à travers le système optique dans la variante en mode de transmission ; - La figure 4. B représente schématiquement le parcourt du rayonnement traitant à travers le système optique dans la variante en mode de réflexion ;
La figure 5 représente schématiquement une portion d'image de de la surface à traiter interceptée par la caméra vidéo et celle projetée par la DMD.
La surface objet (1.1) à traiter par irradiation est éclairée par une source
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lumineuse (2) de faible intensité. Une partie de la lumière rétrodiffusée par la peau se dirige par le canal optique (11) vers le système séparateur de lumière (3). La première voie (12) du système séparateur de lumière (3) envoie la lumière issue de la surface (1.1) vers la caméra vidéo (5) après réflexion sur un miroir (4). L'objectif (5.1) de la caméra conjugue la surface (1.1) à traiter sur la surface photosensible (5.2). L'image obtenue est filtrée et remise en forme en temps réel à cadence de l'imagerie vidéo par un dispositif (6) de traitement électronique selon des critères de sélectivité (augmentation du contraste, inversion et seuils divers éventuels...), qui dépendent de l'application désirée.
L'image traitée est transmise au système de vidéoprojection (7) par l'intermédiaire du système de contrôle (7.3) qui permet de commander la matrice DMD dont la surface active (7.21) est alimenté par une source (9) de lumière traitante, un laser par exemple, à travers un système optique (8) permettant d'étaler le rayonnement sur toute la surface active du DMD. Selon l'état du pixel du système de projection, commandé par le système de contrôle (7.3), la lumière issue de la source (9) est projetée à travers la lentille de projection (7.1) ou non vers l'image de ce pixel sur la surface (1.1) à irradier.
Le rayonnement projeté sur la surface à traiter (1.1) se dirige par le canal optique (13) vers le système séparateur (3) afin de reprendre le canal optique (11) en sens inverse. La fin de parcours de la lumière traitante est le même en sens inverse que celui de la lumière ayant servi à imagier la surface (1.1). C'est cette caractéristique qui assure l'asservissement, c'est à dire le suivi de la surface à traiter par l'irradiation en cas du déplacement relatif entre l'appareil de traitement et la surface à traiter.
Les grandissements de la caméra et du système de projection sont tels que pour un filtrage électronique transparent, l'illumination corresponde exactement à la surface objet 1. 1 en grandissement, et approximativement en champ.
Le grandissement g à travers tout le dispositif est donné par :
Figure img00060001

g = gc. gpc. gp où gc est le grandissement introduit par l'objectif LI de focale fi entre la surface sensible (5.2) de la camera et la surface (1.1) à traiter, gpc est le grandissement entre la surface active (7.2) du système de projection et la surface sensible (5.2) de la caméra et gp est le grandissement introduit par l'objectif L2 de focale f2 entre la distribution de lumière irradiante (1.2) sur la surface objet (1.1) et la surface active (7.2) du système de
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projection. Pour qu'on puisse contrôler chaque point de la surface à traiter la dimension de la surface projetée (1.2) doit être égale à celle de la surface (1.1) à traiter, ce qui revient à dire que le grandissement global g du dispositif est égale à l'unité ; g =1
Sachant que la camera vidéo est constituée par exemple d'un ensemble de pixel carrés de 8 J1. m de coté et le système de projection est constitué d'un ensemble de pixel
Figure img00070001

carrés de 12). im de coté dans le cas du LCD et de 16jam dans le cas de DMD, le grandissement gpc est donné par :
Figure img00070002

fg=3/2 dansIecasduLCD g = 2 danslecasduDMD 1
Figure img00070003

On aura :
Figure img00070004

{gCgp = 2/3 danslecasduLCD tg, = 1/2 danslecasduDMD
Figure img00070005

Ainsi les objectifs fi et f2 sont calculés et positionnés de façon à vérifier cette relation.
L'introduction du système de séparation de lumière entraîne une rotation de la surface diffusée de 180 par rapport au plan vertical normal au plan du système de séparation (3). Pour corriger cette rotation on introduit un miroir (4) entre le système de séparation et la caméra (5) et ainsi on obtient une image sur la caméra de même orientation que la surface à traiter. En réalité le système de séparation de lumière (3) introduit aussi un dédoublement de l'image à cause des deux faces de celui-ci. Pour séparer les deux images on peut suivre par exemple trois procédures : la première est de prendre un cube comme système de séparation dont l'épaisseur est importante de façon à ce que la deuxième image soit éloignée de la surface active de la caméra. La deuxième est d'utiliser une lame séparatrice d'épaisseur très faible de façon à confondre les deux images formées et la troisième procédure est de prendre un système antireflet comme système de séparation de lumière de façon à ce que seule la première face de ce système envoie la lumière vers la caméra et la deuxième face sera utilisée pour passer le rayonnement issu de système de projection vers la zone à traiter. Dans les trois alternatives le système séparateur (3) assure une transmission proche de 100% dans le sens du canal optique (13) par choix de la structure de la surface réfléchissante pour une
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lame et celui des polarisations pour un cube.
La figure 2 représente une variante du système (7) où la séparatrice (3) est placée entre le système de modulation de lumière (7.2) et l'objectif de projection (7.1). le principe de fonctionnement du dispositif reste identique à celui décrit dans la figure 1. La projection de la lumière traitante est réalisée en reprenant le même chemin optique que la lumière rétrodiffusée par la peau par l'intermédiaire du système séparateur (3) et d'objectif de projection (7.1). Le calcul et le positionnement des objectifs f, et f2 sont réalisés maintenant en tenant compte du fait que la lumière diffusée par la surface à traiter parcourt les deux lentille (7.1) et (5.1).
Figure img00080001
La relation entre les grandissement est donnée par :
Figure img00080002

gl = 2/3 dans le cas du LCD gcgp = 1/2 danslecasduDMD
Figure img00080003

Il s'agit de la même relation que celle du cas associée à la figure 1 mais gc est le grandissement introduit par les deux lentille LI et L2 de focales fi et f2 respectivement.
La source de lumière traitante (9) peut être par exemple une diode laser de puissance (ou un ensemble de diodes), un laser de puissance. Le faisceau laser peut être transmis vers la surface active du système de projection soit de manière directe, soit par un guide à fibre optique.
Le faisceau issu de la source traitante (9) sera dévié par la matrice DMD (7. 21). Cette dernière peut être assimilée à un commutateur de la lumière à semiconducteur. Chacun des micromiroirs réfléchit la lumière qu'il reçoit et peut pivoter autour de son articulation placée aux deux coins opposés, en diagonale. Chaque micromiroir du DMD peut prendre trois position : 0'quand il est au repos (absence de tension), +10 en position"ON" (14) (tension appliquée) ainsi la lumière laser est réfléchi vers la lentille de projection (7.1) et-10 en position"OFF" (15) (tension inverse appliqué) et la lumière est déviée vers la surface absorbante (10).
Chaque niveau de gris est codé par un rapport cyclique variable de basculement des micromiroirs.
La figure 4.1 représente la transmission du faisceau laser par une matrice LCD (7.22) (fonctionnant en transmission). En effet dans ce cas la source laser (9) est placée derrière le plan de la matrice LCD et le rayonnement est étalé par un système (8) sur
<Desc/Clms Page number 9>
toute la surface active de celle-ci. Le système de contrôle de la LCD commande chaque pixel d'après le signal vidéo traité par le dispositif électronique permettant de laisser ou non passer le rayonnement vers la surface à traiter (1.1).
La figure 4.2 représente la réflexion du faisceau laser par une matrice DMD (7.21). En effet un faisceau issu de la source laser (9) est étalé par le système (8) sur toute la surface active du DMD (7.21), ce faisceau est réfléchi selon la procédure décrit dans la figure3 ; c'est à dire vers la surface à traiter (1.1) à travers l'objectif de projection
Figure img00090001

0 (7. 1) si le micromiroir correspondant fait un angle de +10 avec le plan de la DMD (7. 2) si non il sera réfléchi vers l'absorbant de lumière (10).
A titre d'exemple la figure 5 illustre le comportement possible du système dans un cas schématique. Considérons la surface à traiter constituée de deux zones noires séparées d'une zone blanche alignées correspondant chacune à la taille d'un pixel et qu'il faille irradier les zones noires. La caméra acquiert une image (5.3) de la surface, étant donné le critère retenu qui est d'irradier les zones noires, le système (6) de traitement des données inverse le contraste. Le système de projection reçoit deux zones blanches séparées d'une zone noire, les miroirs (14) sont en position"ON"et (15) en position "OFF"ce qui produit une irradiation (1.2) coïncidant avec la surface (1.1) en position et localisée sur les zones noires de cette surface.
Si la surface objet (1.1) bouge, le partage de canal optique (11) fait que l'irradiation (1.2) suit l'objet à traiter une fois la boucle faite. Le mouvement relatif doit être lent par rapport à la cadence de l'imagerie vidéo.

Claims (9)

Revendications
1) Dispositif d'irradiation spatialement sélectif asservi en temps réel sur l'imagerie de la surface à traiter caractérisé en ce l'asservissement est réalisé techniquement de la façon suivante : la surface objet (1.1) à traiter est éclairée par une source de lumière (2) de faible intensité, une partie de la lumière rétrodiffusée est réfléchie par un séparateur de lumière (3) vers un miroir (4) puis une caméra vidéo (5) ; le signal vidéo traité par le circuit (6) est transmis à un système de contrôle (7.3) du système de projection (7), la surface active (7.21) du système de projection est alimentée par une source de lumière traitante (9) de forte intensité ; l'image correspondant au signal vidéo traité est projetée vers la surface objet (1.1) à travers un objectif (7.1) qui conjugue la surface active (7. 21) du système de projection et la surface objet (1.1) à traiter ; le système de projection (7) est disposé de façon à ce que son axe optique passe par le séparateur de lumière (3), la partie transmise étant colinéaire avec la partie d'axe optique de la caméra (5) située entre le séparateur (3) et la surface à traiter (1.1) de façon à ce que l'image projetée (1.2) reprenne la même partie de chemin optique initial de la lumière diffusée par la surface à traiter (1.1) mais en sens inverse.
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de séparation de lumière (3) introduit une symétrie de l'image de la surface à traiter (1.1) par rapport à son plan, cette symétrie est corrigée par un miroir (4) (ou un nombre impair de miroirs) placé entre le système de séparation (3) et la caméra (5) pour obtenir une image sur la caméra (5) de même orientation que la surface objet (1.1).
3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système de séparation de lumière (3) peut être placé soit entre l'objectif de projection (7.1) et la surface à traiter (1.1), soit entre la surface active (7.2) du système de projection et l'objectif (7.1) de ce dernier.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'irradiation et la lumière diffusée par la surface à traiter (1.1) possèdent une portion commune de chemin optique (11) mais de sens inverse de façon à faire coïncider, par retour inverse de la lumière, la position de l'image d'irradiation traitante (1.2) avec l'image rétrodiffusée par la surface (1.1) à traiter.
<Desc/Clms Page number 11>
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la caméra vidéo (5) utilisée est une matrice CCD (Charge Coupled Device), une caméra CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor), une caméra infrarouge ou un autre système d'imagerie optique bidimensionnel.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les objectifs (7.1) et (5.1) respectivement du système de vidéoprojection (7) et de la caméra vidéo (5) sont calculés et positionnés de façon à ce que le grandissement introduit par la boucle caméra vidéo (5), transfert d'image caméra vers le projecteur et système de projection (7) soit égal à l'unité.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système de modulation (7.2) de l'irradiation peut être un système fonctionnant en mode de transmission telle qu'une matrice LCD (7.22) (Liquid Cristal Device) ou en mode de réflexion telle qu'une matrice DMD (7. 21) (Digital Micromirror Device).
8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que pour explorer et traiter des surfaces très petites ou des cavités à l'intérieur du corps, un système optique (microscope ou endoscope...) est placé entre la surface à traiter et le dispositif ; le rôle de la surface à traiter étant pris par l'image de cette surface par le système optique additionnel.
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la source de lumière traitante est une diode laser de puissance (ou un ensemble de diodes), un laser de puissance ou dans certains cas de la lumière blanche, le faisceau laser peut être transmis vers la surface active du système de projection soit de manière directe, soit par un guide à fibre optique.
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