IT201900003347A1 - Endoscopio termico per applicazioni chirurgiche - Google Patents

Description

TITOLO: ENDOSCOPIO TERMICO PER APPLICAZIONI CHIRURGICHE

DESCRIZIONE

L' ambito di applicazione della presente invenzione riguarda il settore dei dispositivi per la produzione di immagini nell’infrarosso, sensibili alla radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda compresa tra 8 e 14 micron (LWIR), e la loro applicazione in ambito chirurgico, in particolare nell’ambito della chirurgia laparoscopica e robotica.

Gli interventi chirurgici eseguiti mediante tecnica laparoscopica, o robotica laparo-assistita, sono ormai consolidati in quanto risultano vantaggiosi rispetto alla terapia chirurgica tradizionale: alcuni di questi vantaggi sono abbastanza evidenti, come ad esempio la riduzione del rischio di infezioni, ridotte perdite ematiche intraoperatorie e, in modo particolare, la riduzione dei tempi del recupero postoperatorio. Per tutti questi motivi le tecniche laparoscopiche e robotiche laparoassistite vengano impiegate in un numero crescente di tipologie di interventi.

Essi non prevedono l’esecuzione di una laparotomia ma bensì dei tramiti (porte) dal diametro dell’ordine del centimetro, tra la superficie cutanea e la cavità addominale, che consentono l’introduzione nel cavo peritoneale o nello spazio extraperitoneale di una camicia, detta anche “trocar”, o più camicie al cui interno viene resa possibile l’introduzione di uno strumento specifico, tra cui anche l’endoscopio, che consente l’esecuzione dell’intervento chirurgico. L’effettuazione di quest’ultimo viene reso possibile grazie all’insufflazione di anidride carbonica (CO2) all’interno del cavo peritoneale o dello spazio extraperitoneale consentendo, in tal modo, la creazione di uno spazio operativo, necessario per l’esecuzione delle manovre operatorie, che vengono condotte mediante gli strumenti inseriti attraverso le porte sopra descritte.

Gli interventi in laparoscopia, o in chirurgia robotica laparo-assistita, prevedono l’elettrificazione mono e bipolare degli strumenti per l’effettuazione della dissezione e coagulazione dei tessuti, che avviene previo il rilascio di energia termica mediante l’utilizzazione di correnti alternate ad alta frequenza. L’utilizzo di tali strumenti chirurgici elettrificati, ed in particolare l’elettrobisturi, causa un’ipertermia delle aree adiacenti all’area di lavoro con conseguente possibile danno a carico delle strutture nervose circostanti con possibile irreversibile danno funzionale delle strutture anatomiche di riferimento. Per questo motivo è auspicabile la possibilità di monitorare la distribuzione e la diffusione del calore durante l’utilizzo dell’elettrobisturi o di qualsiasi altro strumento che porti ad un aumento della temperatura dei tessuti immediatamente circostanti.

Allo stato attuale, gli interventi urologici, con particolare riferimento alla prostatectomia radicale, non prevedono il monitoraggio dell’energia termica durante la coagulazione mono o bipolare, anche se la letteratura al riguardo è ricca di studi che analizzano i rischi associati all’impiego di elettrobisturi in laparoscopia e nella chirurgia robotica laparo-assistita in questo contesto chirurgico. Tra questi, si rimanda a due studi per attestare la grande rilevanza dei problemi risolti dalla presente invenzione.

✓ “Complications of electrosurgery in laparoscopy” – Hui-Yu Huang et al.

[Gynecology and Minimally Invasive Therapy 3 (2014): 39-42.

✓ “Principles and Safety Measures of Electrosurgery in Laparoscopy” – Ibrahim Alkatout et al. [ Journal of the Society of Laparoendoscopic Surgeons (2012) 16: 130-139]

La presente invenzione, infatti, consente la realizzazione di un endoscopio termico in grado di monitorare la temperatura dei tessuti che si trovano strettamente adiacenti all’area chirurgica interessata. Tale endoscopio termico, utilizzato in combinazione con la classica ottica operativa nel visibile, permetterebbe al chirurgo di utilizzare l’elettrocoagulazione in prossimità delle strutture nervose in condizioni di sicurezza evitando la lesione irreversibile di quest’ultime.

Disponendo di un endoscopio termico come quello riportato nella presente invenzione, ad esempio, sarebbe possibile realizzare una chirurgia radicale robotica nerve-sparing della prostata con l’utilizzazione di una elettrocoagulazione bipolare mirata in corso di dissezione della ghiandola stessa. Il vantaggio in questi casi si tradurrebbe in una preservazione delle strutture nervose adiacenti alla prostata riducendo il rischio di compromissione della funzione erettile e della continenza del paziente. Ad oggi tali rischi hanno un’incidenza significativa ma sono considerati inevitabili.

Un ulteriore caso d’impiego vantaggioso dell’endoscopio secondo l’invenzione potrebbe essere costituito dalla rilevazione della temperatura del parenchima renale in corso di nefrectomia parziale robotica o laparo-assistita, nel corso del clampaggio del peduncolo renale, e dopo il declampaggio di quest’ultimo, per la determinazione della temperatura raggiunta a livello del parenchima adiacente all’area sottoposta ad enucleoresezione, e quindi indirettamente per un’informazione sul tempo di ripresa della vascolarizzazione del segmento di rene preso in considerazione.

Nella pratica della chirurgia laparoscopica e robotica, però, nonostante l’evidente utilità, nessuna termocamera nel Longwave Infrared (LWIR) è utilizzata, perché, di fatto, un tale strumento non è al momento disponibile.

In effetti, sono disponibili in commercio alcuni endoscopi termici (cfr. Thermal Video Endoscope, YTE-T series dell’azienda Cinese Yateks) ma questi non sono utilizzabili nel contesto della chirurgia laparoscopica e robotica per dimensioni, sterilizzabilità e condizioni ambientali (si ricorda che in chirurgia laparoscopica e robotica addominale, il cavo peritoneale viene insufflato con CO2).

In US 2018055335 (A1) [Endoscope Device for Detecting Disease based on Thermal Images – Chung el al. (KR)] viene presentato un dispositivo endoscopico che utilizza immagini termiche per individuare malattie. Tali dispositivi sono tuttavia progettati per scaldare il tessuto e misurarne il suo raffreddamento, mentre ciò che serve per estendere l’applicabilità delle tecniche laparoscopiche, come sarà anche meglio chiarito nel seguito, è uno strumento passivo, di dimensioni il più possibile compatte, e che permetta l’acquisizione di immagini termiche con una notevole definizione, capace di misurare incrementi di temperatura che interessano piccolissime zone di tessuto in un campo di visione più ampio.

Soprattutto, serve uno strumento utilizzabile in un contesto operatorio, mentre il dispositivo descritto in US 2018055335 (A1) è esclusivamente finalizzato all’effettuazione di un’analisi: sia il riscaldamento, che il rilevamento della radiazione emessa, riguardano solo la porzione dei tessuti oggetto di esame. Di conseguenza, non si pongono problemi riguardanti l’ampiezza di visione (a sua volta legata alla dimensione ed al posizionamento dei sensori) e, in generale, tutti i problemi legati alla efficacia d’uso dello strumento in un contesto operatorio.

L’arte nota ha anche proposto, in passato, il ricorso ad opportuna strumentazione teoricamente idonea a monitorare la temperatura dei tessuti interni, interessati da interventi chirurgici. A tal proposito si citano:

✓ US 6,652,452 B1 “Infrared endoscope with sensor array at the distal tip” – G.J.Seiert et al. (Nov.25, 2003);

✓ US 2017/0065287 A1 “Infrared endoscopic probe” – Silva et al. (Mar.9, 2017). Tuttavia, la pratica chirurgica non ha recepito l’impiego di tali strumenti. È presumibile che, il dover ricorrere ad un doppio endoscopio, quello ottico e quello termico, possa porre dei problemi, o quanto meno una maggior difficoltà, dal punto di vista operativo.

In definitiva, si può concludere che, in chirurgia, la conoscenza accurata della temperatura dei tessuti costituisce un dato di grande importanza che consentirebbe al chirurgo di evitare un numero significativo di complicanze. Tuttavia, la tecnica nota non è ancora riuscita a proporre una soluzione accettata dalla comunità medica per rispondere a questa necessità. Pertanto, qualora una soluzione si rendesse disponibile, questa sarebbe certamente di grande beneficio, ma la sua messa a punto richiede evidentemente l’esercizio di attività inventiva.

Si ricorda infatti, che fintanto che gli interventi chirurgici prevedono di essere sovrintesi da un chirurgo, che manovra più o meno direttamente degli strumenti laparoscopici o robotici sulla base di informazioni che deve decifrare in tempo reale, sulla base di quello che vede, tutta la strumentazione deve, prima di tutto, essere facilmente utilizzabile e non aumentare il carico cognitivo. In particolare, le immagini prodotte da un endoscopio, devono essere chiare, sintetiche e di immediata intellegibilità. Già il dover guardare due immagini distinte, quella nel visibile per sovrintendere alle manovre operatorie, e quella termica per monitorare la temperatura, per quanto sia un’operazione certamente gestibile da un chirurgo, costituisce comunque un maggior impegno che richiede specifica concentrazione.

A prescindere dalle applicazioni in chirurgia, sono comunque note tecnologie di rilevamento di immagini termiche basate sull’acquisizione della radiazione infrarossa emessa dai corpi per irraggiamento. Tuttavia, non è immediato realizzare un endoscopio termico semplicemente integrando un rilevatore di radiazione infrarossa in una sonda adatta ad essere inserita a fini chirurgici all’interno del corpo di un paziente.

Si pongono infatti rilevanti problemi tecnici, che richiedono pertanto di concepire uno strumento nuovo, e specificatamente studiato per l’applicazione in chirurgia.

Un primo problema di natura tecnica riguarda la necessità di realizzare un dispositivo miniaturizzato ma allo stesso tempo capace di fornire immagini termiche con una definizione adeguata all’applicazione.

L’esigenza di miniaturizzazione è insita nella natura delle tecniche endoscopiche, la cui ragion d’essere è proprio quella di ridurre al minimo l’invasività degli interventi chirurgici. Tuttavia, sensori di radiazione termica piccoli implicano un numero di pixel limitato dallo spazio disponibile.

Al limite, ed in via esclusivamente teorica, il sensore potrebbe anche essere costituito da un unico elemento sensibile alla radiazione, ottenendo così un sensore estremamente piccolo. Ma tale dispositivo sarebbe in grado di rilevare un unico dato di radiazione, proveniente dalla zona verso cui è puntato, e misurando la temperatura media di tale zona, che può anche essere molto piccola, ottenendo così misure di temperatura quasi puntuali. Questa strada è evidentemente poco gradita in quanto impegnerebbe eccessivamente il chirurgo che dovrebbe manovrare la sonda termica orientandola nei singoli punti di cui è importante stimare la temperatura; inoltre, non disponendo di un’immagine termica capace di offrire una visione d’insieme sufficientemente ampia, risulterebbe troppo difficile, se non impossibile, nella pratica, eseguire il rilevamento della temperatura esattamente nei punti di interesse. Infatti, per monitorare la diffusione del calore ai fini di determinare il danno nei tessuti circostanti, serve una mappa di un’area, più precisamente una sequenza di termogrammi nel tempo, e non una misura puntuale. Di conseguenza i vincoli di miniaturizzazione sono decisamente importanti in quanto hanno un impatto sulla definizione dell’immagine termica che è possibile ottenere e sull’ampiezza del campo di visione.

La definizione dell’immagine termica è inoltre assolutamente importante per poter rilevare temperature eccessive che riguardano zone di tessuto il più possibile piccole. Infatti, il danneggiamento del tessuto, in generale, può essere rilevante anche quando il riscaldamento interessa un numero ridotto di cellule. D’altro canto, è importante anche l’ampiezza della visione in quanto serve avere un’immagine termica abbastanza ampia per interpretare con esattezza quello che si sta osservando.

Tutti questi problemi tecnici, che fino a pochi anni fa non potevano essere gestiti pervenendo a compromessi prestazionali accettabili, possono oggi essere affrontati con migliori prospettive, ricorrendo alla tecnologia delle così dette “camere termiche” di nuova generazione, che si stanno diffondendo sulla spinta di possibili applicazioni consumer. Ad esempio, camere termiche miniaturizzate, ed a basso consumo, possono essere integrate su terminali radiomobili (l’interesse per questa tecnologia in ambito consumer nasce dal fatto che una camera termica riesce a “vedere” la presenza di persone o animali anche in assenza di illuminazione). Sono pertanto già disponibili sensori per realizzare camere termiche di dimensione molto ridotte, dell’ordine del centimetro o anche meno, che integrano matrici di pixel, dell’ordine delle varie decine, o anche del centinaio, per lato (o per asse/diametro nel caso di sensori di forma generica non rettangolare).

Come detto, la spinta tecnologica è dettata da applicazioni consumer, e pertanto l’applicazione in un ambito di nicchia come la strumentazione per chirurgia endoscopica richiede adattamenti non banali.

In generale, con riferimento agli aspetti che riguardano definizione e campo di visione, va sempre ricordato che lo strumento deve essere usato durante un intervento chirurgico, in cui un chirurgo deve disporre di informazioni il più possibili chiare da interpretare e le immagini, in particolare, devono essere immediatamente intellegibili, affinché il chirurgo possa concentrare tutta la propria attenzione sugli aspetti clinici del suo intervento.

Altri problemi tecnici nascono dall’esigenza, ovvia in chirurgia, di disporre di uno strumento adatto ad operare in un ambiente sterile ed adatto, pertanto, ad essere sottoposto a frequenti trattamenti di sterilizzazione accurata.

Un ulteriore problema tecnico è poi determinato dall’ambiente in cui l’endoscopio termico secondo l’invenzione deve operare, che è caratterizzato da una presenza significativa di anidride carbonica. Quest’ultima, se da un lato è sostanzialmente trasparente alla radiazione nel campo del visibile (e quindi non ha alcun impatto sul funzionamento dei normali endoscopi ottici), dall’altro lato impatta sulla radiazione infrarossa distorcendo i valori di radiazione che raggiungono il sensore (e che possono pertanto essere misurati), e quindi il calcolo radiometrico della temperatura.

Di conseguenza lo scopo generale della presente invenzione è quello di indicare le caratteristiche essenziali di un endoscopio termico adatto all’applicazione in chirurgia, ed in particolare in chirurgia laparoscopica e robotica. Altro scopo, più specifico, della presente invenzione è quello di indicare un endoscopio termico di dimensioni contenute che possa essere integrato in un involucro a forma allungata, quale è l’involucro di un classico endoscopio ottico la cui larghezza deve essere dell’ordine del centimetro, e comunque compatibile con l’impiego in un’operazione chirurgica effettuata mediante tecnica laparoscopica o robotica laparo-assistita.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un endoscopio termico in cui tutti i componenti necessari possono essere contenuti ermeticamente in un involucro sterilizzabile in modo accurato.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un endoscopio termico in cui la misura di temperatura possa essere effettuata con una precisione accettabile anche in presenza di un ambiente di propagazione della radiazione infrarossa caratterizzato da una significativa presenza di anidride carbonica (CO2).

Altro scopo, fondamentale, della presente invenzione è quello di indicare un endoscopio termico in cui la definizione di rilevamento della radiazione infrarossa emessa da un tessuto di cui si intende misurare la temperatura permetta di stimare la temperatura con sufficiente dettaglio spaziale: ovvero le singole misure devono riferirsi a zone di tessuto il più possibile piccole, di fatto, devono essere sostanzialmente misure puntuali. Inoltre, il campo di rilevamento deve risultare sufficientemente ampio da consentire di allineare l’immagine termica all’immagine nel visibile che è usata dal chirurgo per operare. Infatti, ciò che tipicamente più interessa è monitorare la diffusione di calore nei tessuti circostanti al punto dove sta operando il bisturi, per valutare il danno termico che può generarsi durante l’intervento operatorio.

Gli scopi prefissati per questa invenzione sono raggiunti mediante un endoscopio per operazioni chirurgiche che comprende almeno un sensore ottico sensibile alla radiazione nel campo del visibile idonea a riprendere un’immagine di una zona di tessuto sulla quale viene eseguita un’operazione chirurgica, e detto endoscopio termico è caratterizzato dalle seguenti ulteriori caratteristiche:

• in prossimità della sua estremità destinata ad essere introdotta nel corpo del paziente è presente una finestra ottica trasparente alla radiazione infrarossa; • detta finestra ottica è accoppiata al corpo di detto endoscopio per operazioni chirurgiche in modo da formare un corpo unico opportunamente sigillato rispetto all’ambiente in cui deve operare;

• detto endoscopio per operazioni chirurgiche comprende anche un sensore di radiazione infrarossa posizionato al suo interno;

• detta finestra ottica trasparente alla radiazione infrarossa è posizionata in modo da

✓ far passare la radiazione nel campo dell’infrarosso proveniente sostanzialmente dalla stessa zona di tessuto la cui immagine è ripresa da detto almeno un sensore ottico, e

✓ detta radiazione nel campo dell’infrarosso investe detto sensore di radiazione infrarossa;

• detto sensore di radiazione infrarossa è costituito da una matrice di sensori elementari che permettono la ricostruzione di un’immagine termica;

• all’interno di detto endoscopio per operazioni chirurgiche sono presenti mezzi di elaborazione elettronica, cablaggi idonei al trasposto di segnale e idonei all’alimentazione elettrica.

Il vantaggio principale della presente invenzione è dato dal fatto che un endoscopio termico realizzato secondo gli insegnamenti della presente invenzione, soddisfa gli scopi per cui è stato concepito.

Tale invenzione presenta anche ulteriori vantaggi che saranno resi maggiormente evidenti dalla seguente descrizione che ne evidenzia ulteriori dettagli, dalle rivendicazioni allegate che costituiscono parte integrante della descrizione stessa e dall’illustrazione di alcuni esempi di realizzazione pratica descritti, a titolo non limitativo, nel seguito e nei disegni allegati in cui:

• Figura 1 mostra la parte terminale, destinata ad essere introdotta nel corpo del paziente, di un endoscopio termico per operazioni chirurgiche secondo l’invenzione;

• Figura 2 mostra uno spaccato dell’endoscopio termico rappresentato in Figura 1 in cui sono visibili alcuni componenti interni.

• Figura 3 mostra un esploso dell’endoscopio termico rappresentato nelle figure precedenti in cui è evidenziato come il dispositivo può essere assemblato ed integrato.

In Figura 1, con il numero 100, è indicata una forma di implementazione di un endoscopio termico secondo l’invenzione, di cui si vede solo la parte destinata ad essere inserita nel corpo del paziente nel corso di un intervento chirurgico. Con il numero 210 è indicato l’involucro vero e proprio dell’endoscopio termico 100 secondo l’invenzione. Tipicamente, presenta la forma di un tubicino dal diametro, come già detto, nell’intorno del centimetro. L’involucro 210 deve essere ermetico, in modo da proteggere il paziente da ogni tipo di contaminazione e, al tempo stesso, proteggere l’elettronica interna del dispositivo. Tipicamente, detto involucro 210 è realizzato in acciaio inox o in altri materiali usati nel campo biomedicale per la fabbricazione di utensili chirurgici.

Detto involucro 210, nell’esempio di Figura 1, presenta tre fori allineati su un lato e posizionati in prossimità dell’estremità dell’endoscopio 100 destinata ad essere introdotta all’interno del corpo del paziente durante l’intervento chirurgico. Tali fori sono chiusi ermeticamente da tre finestre ottiche.

La finestra ottica posta nel foro centrale è indicata con il numero 220 e, nel caso più semplice, ha la funzione di permettere che la radiazione infrarossa, emessa dai tessuti verso cui è orientata, entri nell’endoscopio ed investa una particolare zona all’interno dell’endoscopio termico 100 dove, come sarà illustrato con l’ausilio delle figure seguenti, è posizionato un sensore di sensibile alla radiazione nel campo dell’infrarosso. In casi più sofisticati, detta finestra ottica 220, trasparente alla radiazione infrarossa, può svolgere anche la funzione di lente, in modo da focalizzare opportunamente la radiazione infrarossa, e migliorare la rilevazione dell’immagine termica corrispondente (ad esempio, per migliorare la definizione o il campo di visione, a parità di ingombri).

Si nota che, sebbene lo spettro dell’infrarosso sia contiguo allo spettro del visibile, i normali vetri ottici non vanno bene in quanto schermano la radiazione infrarossa, pertanto detta finestra ottica 220 deve essere costituita da un materiale adatto. Il germanio è un elemento con interessanti proprietà grazie ad un elevato livello di trasmissione della radiazione tra 8 e 14 micron, di conseguenza è un materiale che viene usato con ottimi risultati per realizzare articoli ottici nel campo infrarosso. Pertanto una finestra ottica 220 al germanio costituisce certamente una scelta adeguata per un’implementazione preferita dell’invenzione.

L’accoppiamento tra detta finestra ottica 220, trasparente alla radiazione nel campo dell’infrarosso, e detto involucro 210 deve essere particolarmente curato per garantire la perfetta ermeticità dell’endoscopio 100. Infatti, né le sostanze corporali a contatto con l’endoscopio durante le operazioni devono infiltrarsi all’interno dell’endoscopio 100, e né i componenti interni all’endoscopio 100 devono venire a contatto, anche indirettamente, con il corpo del paziente. L’ermeticità è poi indispensabile per garantire la praticabilità di accurati trattamenti di sterilizzazione a cui sottoporre la parte esterna dell’endoscopio 100. Pertanto, normalmente, la finestra ottica 220 e l’involucro vero e proprio 210 sono accoppiati mediante una opportuna guarnizione, indicata in Figura 1 con il numero 230, che provvede a garantire la necessaria ermeticità dell’oggetto nel suo insieme.

Le due finestre ottiche poste nei fori laterali sono indicate con il numero 520, ed hanno la funzione di permettere la formazione di due immagini ottiche, nel campo del visibile, in due zone all’interno dell’endoscopio termico 100. Il posizionamento di dette due finestre ottiche 520, nel campo del visibile, è tale che, le immagini ottiche che si formano all’interno dell’endoscopio siano riferite agli stessi tessuti verso cui è orientata la finestra ottica 220 che lascia passare la radiazione infrarossa.

Anche nel caso delle finestre ottiche 520, è possibile che queste svolgano la funzione di lente così da focalizzare opportunamente l’immagine sull’elemento sensibile. Anzi, nel campo del visibile, la maturità tecnologica è tale che sono disponibili comunemente (ed a basso costo) camere ottiche con prestazioni eccellenti estremamente miniaturizzate, in cui l’ottica è composta da una o più lenti. Pertanto, in generale, si può assumere che le finestre ottiche 520 possono essere semplici zone di trasparenza al visibile o anche delle vere e proprie ottiche composte da opportune lenti.

In definitiva, si può sintetizzare che una prerogativa dell’endoscopio termico 100, secondo gli insegnamenti della presente invenzione, sia quella di fornire al chirurgo un’immagine nel visibile della zona in cui sta operando (come avviene nei normali endoscopi secondo l’arte nota) che però risulti arricchita anche con informazioni riguardo alla temperatura.

Pertanto attraverso le due finestre ottiche 520 e la finestra ottica 220 nel campo dell’infrarosso, all’interno dell’endoscopio termico 100 vengono acquisite contemporaneamente immagini termiche ed ottiche riferite ai medesimi tessuti. È chiaro che i punti di ripresa delle diverse immagini non possono essere fisicamente coincidenti (quindi le tre immagini, avendo punti di vista diversi risulteranno leggermente differenti), tuttavia, le varie finestre (o lenti) sono accuratamente posizionate allo scopo di acquisire immagini riferite ai medesimi tessuti. Il fatto di disporre di due immagini ottiche, con angolature diverse, ma simmetriche rispetto all’angolo di ripresa dell’immagine termica, permette di avere informazioni che facilitano la ricostruzione di un’immagine arricchita, che fornisca, sull’immagine nel visibile, anche un’immagine termica sovrapposta ed adeguatamente allineata. In definitiva, l’immagine termica sovrapposta all’immagine nel visibile permette di offrire all’osservatore (cioè al chirurgo), tramite opportune rese cromatiche, informazioni riguardanti la temperatura dei tessuti sotto osservazione. Ad esempio, l’immagine termica sovrapposta può essere resa attribuendo all’immagine nel visibile specifiche colorazioni indicative della temperatura, oppure il dato di temperatura può essere sintetizzato al massimo, evidenziando con un’opportuna colorazione solamente i tessuti che superano una certa temperatura di attenzione, e proponendo solamente l’immagine nel visibile (senza colorazioni artefatte) laddove la temperatura non supera soglie di attenzione. Infatti, si sottolinea come sia importante conoscere con precisione i punti esatti dei tessuti la cui temperatura raggiunge livelli che possono essere causa di controindicazioni o di effetti collaterali da evitare.

È evidente che sono possibili anche implementazioni semplificate dell’endoscopio termico secondo l’invenzione, in cui è presente un solo sensore ottico nel visibile. Infatti, anche disponendo di una sola immagine nel visibile è teoricamente possibile eseguire, in fase di “post-processing” delle immagini, un buon allineamento tra l’immagine nel visibile e quella termica. Tuttavia, visto che la tecnologia dei sensori nel visibile ha ormai raggiunto, come già accennato, livelli di miniaturizzazione molto spinta, la scelta di usare una doppia immagine nel visibile è certamente un’implementazione preferibile. Le due camere nel visibile, poste dietro alle finestre/lenti ottiche 520 consentono di fornire una visione stereoscopica al chirurgo. L’effetto tridimensionale del campo di azione permette al chirurgo di percepire la profondità, e di operare in modo più naturale a tutto vantaggio del paziente.

Sempre con riferimento alla forma di implementazione di Figura 1 è utile notare come, a differenza degli endoscopi proposti dalla tecnica nota, i punti di acquisizione delle immagini (sia quelle nel visibile che quelle termiche), rappresentati dalle finestre ottiche 520 e 220, non sono posti proprio sull’estremità distale dell’endoscopio, bensì sul lato dello stesso, anche se, ovviamente, sono posizionati molto vicini all’estremità distale. Questo diverso posizionamento dei punti di acquisizione, oltre che essere dettato dal fatto che nel caso della presente invenzione non viene acquisita una sola immagine (quindi servono più punti di acquisizione), presenta anche un ulteriore vantaggio, in quanto consente di impiegare un sensore termico di dimensione leggermente più ampia della sezione dell’involucro 210.

Valutazioni condotte con chirurghi assicurano che il posizionamento laterale dei punti di ripresa dell’endoscopio non costituisce un problema dal punto di vista operatorio, e pertanto è una scelta assolutamente proponibile.

Del resto il vantaggio di avere tutti i punti di visione rigidamente solidali tra loro è essenziale per facilitare la registrazione e l’allineamento delle immagini, basandosi su informazioni geometriche. Se invece l’immagine termica fosse acquisita con uno strumento manovrabile indipendentemente dall’endoscopio ottico, l’allineamento sarebbe decisamente più problematico.

In Figura 2 è mostrato uno spaccato dell’endoscopio termico 100 rappresentato in Figura 1. Per rendere visibili alcune parti interne, è stata eliminata una parte dell’involucro 210.

Due macro-elementi caratterizzanti l’invenzione, che si trovano all’interno dell’endoscopio termico 100, sono una scheda elettronica indicata con il numero 300 ed un sensore di radiazione infrarossa indicato con il numero 400.

Detta scheda elettronica 300 deve essere progettata per svolgere una pluralità di funzioni, tra cui le principali sono quelle di:

• contenere i componenti per la ricezione, il condizionamento e l’adattamento del segnale proveniente dal sensore 400 e, qualora il sensore 400 non comprenda al suo interno elettronica di conversione analogico-digitale, deve provvedere al campionamento ed alla quantizzazione dei segnali analogici provenienti dal sensore stesso;

• contenere mezzi di calcolo per provvedere alla taratura dei segnali rilevati dal sensore 400 e per costruire l’immagine termica corretta dell’area osservata; in particolare, deve essere fatta una ri-mappatura dei valori rilevati, per tener conto degli effetti della propagazione infrarossa in un ambiente caratterizzato da presenza di anidride carbonica.

• contenere i componenti degli stadi d’uscita che permettono il trasferimento all’esterno delle immagini termiche rilevate.

Le principali funzioni svolte mediante detta scheda elettronica 300 sono state illustrate facendo riferimento alla gestione dei segnali generati dal sensore termico 400, va però chiarito che l’endoscopio termico secondo l’invenzione rileva anche normali immagini nel campo del visibile mediante opportuni sensori ottici, indicati in Figura 2 con il numero 500, e posizionati in modo da acquisire le immagini focalizzate dalle finestre/lenti ottiche 520. Anche i segnali generati da detti sensori ottici 500 possono richiedere elaborazioni che è opportuno svolgere immediatamente a valle dei sensori, quindi servendosi di componenti da integrare, nell’eventualità, nella scheda elettronica 300. Tuttavia, essendo la tecnologia delle telecamere ottiche nel visibile decisamente matura, si osserva che i componenti ottici disponibili sul mercato sono, in molti casi, già molto integrati, per cui il segnale da essi prodotto richiede in genere meno elaborazioni.

Infine, devono essere gestiti e sbrogliati i cablaggi (o le piste) di alimentazione e di trasmissione dei dati. Il tutto, con il vincolo abbastanza stringente di sviluppare il “layout” della scheda in senso longitudinale affinché possa essere alloggiato nello spazio lungo e stretto che è disponibile all’interno dell’involucro 210 dell’endoscopio termico 100. Infatti, tutti i mezzi di elaborazione elettronica del segnale analogico che è opportuno vengano integrati all’interno dell’involucro 210, così come i cablaggi conseguenti, devono essere disposti in modo da occupare uno spazio lungo e sottile, in cui l’area di una sezione ortogonale alla direzione longitudinale è dell’ordine dei pochi centimetri quadrati (indicativamente, si può assumere che tale area non superi i 3 cmq, ma meglio sarebbe rimanere significativamente al di sotto di tale limite).

Un obiettivo di un certo interesse è che i segnali di uscita dall’endoscopio termico 100 siano segnali digitali con una struttura ben definita ed adatti ad essere direttamente presi in carico da opportuni mezzi di visualizzazione; da ciò deriva l’importanza di pre-elaborare i segnali all’uscita dei sensori.

Il sensore di radiazione infrarossa 400 è posizionato a ridosso della finestra ottica trasparente all’infrarosso 220, in modo che la radiazione infrarossa lo investa correttamente. I sensori di radiazione infrarossa possono essere realizzati con varie tecnologie. Almeno una di queste appare particolarmente adatta all’applicazione, ed è la tecnologia basata sull’uso di micro-bolometri come elementi sensibili elementari per costituire la rilevazione dei singoli “pixel”. Le matrici di “pixel” microbolometrici (i bolometri sono dei circuiti che comprendono un componente che varia la propria resistenza in funzione della radiazione che li investe) hanno, allo stato della tecnica, il pregio di poter essere miniaturizzati in modo spinto, e di non richiedere un controllo di temperatura per poter funzionare correttamente.

Usando un sensore ad infrarossi micro-bolometrico è pertanto possibile rilevare un’immagine termica costituita da migliaia di “pixel”, che restituisce nativamente un segnale elettrico, e che richiede un’alimentazione modesta.

Come anticipato nella prima parte della presente descrizione, dedicata alla tecnica nota, si ribadisce che sono già disponibili sensori che, con opportuni adattamenti, possono essere impiegati nell’applicazione oggetto della presente invenzione. Oltre alla taratura necessaria per tener conto del particolare ambiente di lavoro saturo di anidride carbonica, vale la pena di sottolineare la cura che deve essere posta nella sigillatura e l’assemblaggio di tutto l’insieme dell’endoscopio termico 100, in cui ogni elemento deve trovar posto in uno spazio ridotto e di forma particolare.

Alcuni accorgimenti di assemblaggio, che come detto sono importanti per l’ottenimento di un risultato finale che sia adeguato al conseguimento degli scopi dell’invenzione, sono meglio evidenziati con l’ausilio di Figura 3.

In Figura 3, l’elemento trasparente all’infrarosso della finestra ottica 220 è rappresentato staccato dalla guarnizione 230 che, a sua volta è staccata dall’involucro a forma di tubo 210.

In particolare, la guarnizione 230, in una forma di implementazione preferita, oltre che svolgere la naturale funzione di sigillatura, provvede anche ai necessari adattamenti di forma (tipicamente i vetri sono di forma piana, anche per non introdurre effetti distorcenti, mentre la forma dell’involucro 210 è curva). Ovviamente, le stesse osservazioni valgono anche per le lenti ottiche 520 nel campo del visibile che, anch’esse, si devono accoppiare ermeticamente all’involucro 210. Oltre a ciò, dette guarnizioni 230 possono avere una forma che si estende anche all’interno dell’endoscopio termico 100, ed assolvere anche ad altre funzioni di ottimizzazione dell’assemblaggio, ad esempio estendendosi sino a toccare la scheda elettronica 300, o alcuni componenti elettronici ad essa collegati, in modo da determinare un assemblaggio il più possibile saldo.

Quando tutti questi elementi, che in Figura 3 sono rappresentati separati, sono assemblati e raggruppati, possono a loro volta essere attaccati tra loro, con opportune sostanze collanti, come ad esempio, ciano-acrilati per apparecchiature biomedicali, o altri collanti adatti a tale scopo, in modo da formare un endoscopio termico 100 molto compatto, ermeticamente sigillato ed idoneo ad essere sterilizzato accuratamente un numero indefinito di volte.

Nell’esploso di Figura 3 è poi mostrata la scheda elettronica 300, sfilata dall’involucro 210, in cui sono visibili il sensore di radiazione infrarossa 400 ed i due sensori ottici nel visibile, indicati con il numero 500.

Ovviamente sono possibili anche altre forme di implementazione, ciò che conta è l’ottenimento di un endoscopio termico finito, che sia compatto e di forma allungata e sottile, adatto ad essere introdotto nel corpo di un paziente al pari degli altri strumenti usati in laparoscopia. Al tempo stesso, detto endoscopio termico 100 deve garantire le prestazioni funzionali sopra delineate, e deve essere ermeticamente sigillato e sottoponibile a ripetuti trattamenti di sterilizzatura accurata.

Altre varianti implementative possono prevedere l’impiego di un involucro flessibile o snodato. Ovviamente, queste varianti richiedono la disponibilità di opportuni materiali, ed una significativa attività di validazione e messa a punto. Tuttavia, tali implementazioni, qualora riguardino un endoscopio termico con le caratteristiche sopra enunciate, devono ritenersi varianti dell’endoscopio termico insegnato nella presente invenzione. Oppure, qualora l’implementazione di tali forme di realizzazione dovesse richiedere significativo esercizio di attività inventiva, tali nuove forme di realizzazione dovranno eventualmente ritenersi invenzioni dipendenti dagli insegnamenti della presente invenzione.

Come è intuibile da quanto descritto sopra, l’invenzione appena descritta si può prestare a numerose ulteriori varianti che possono offrire vantaggi aggiuntivi rispetto a quelli precedentemente citati. E tali ulteriori varianti possono essere apportate dall’uomo esperto del ramo senza però per questo fuoriuscire dall’invenzione quale essa risulta dalla presente descrizione e dalle rivendicazioni qui allegate.

Pertanto può essere modificata, entro certi limiti, la forma dell’endoscopio termico 100, e la forma dei singoli elementi costitutivi, come ad esempio la guarnizione 230 che, in alcuni casi potrebbe anche essere assente come elemento distinto, sostituito, ad esempio, da opportune colle con funzione sigillante.

Inoltre ciascun elemento può essere sviluppato in diversi materiali, forma o dimensione; così come l’invenzione stessa può essere realizzata in modo parziale e molti dettagli descritti sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.

Infine, l'invenzione descritta si presta ad incorporare ed a supportare ulteriori tecniche volte a migliorare ancor più i processi chirurgici per cui viene impiegata. In particolare sono attesi sviluppi significativi nella componentistica elettronica, e nel campo dei sensori. Anche il settore dell’analisi automatica delle immagini può generare sviluppi utili a migliorare le prestazioni della presente invenzione.

Tutti tali accorgimenti e miglioramenti, qualora non risultassero compresi nella presente descrizione, potranno allora essere descritti in ulteriori domande di brevetto, associabili a questa invenzione.

Claims (10)

1. TITOLO: ENDOSCOPIO TERMICO PER APPLICAZIONI CHIRURGICHE RIVENDICAZIONI 1. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche, che comprende almeno un sensore ottico (500) sensibile alla radiazione nel campo del visibile idonea a riprendere un’immagine di una zona di tessuto sulla quale viene eseguita un’operazione chirurgica, e detto endoscopio termico (100) è caratterizzato dalle seguenti ulteriori caratteristiche: a. in prossimità della sua estremità destinata ad essere inserita nel corpo del paziente, presenta una finestra ottica (220) trasparente alla radiazione infrarossa; b. detta finestra ottica (220) è accoppiata al corpo di detto endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche in modo da formare un corpo unico opportunamente sigillato rispetto all’ambiente in cui deve operare; c. detto endoscopio (100) per operazioni chirurgiche comprende anche un sensore di radiazione infrarossa (400) posizionato al suo interno; d. detta finestra ottica (220) trasparente alla radiazione nel campo dell’infrarosso è posizionata in modo da: i. far passare la radiazione nel campo dell’infrarosso proveniente sostanzialmente dalla stessa zona di tessuto la cui immagine è ripresa da detto almeno un sensore ottico (500), e ii. detta radiazione nel campo dell’infrarosso investe detto sensore di radiazione infrarossa (400); e. detto sensore (400) di radiazione infrarossa è costituito da una matrice di sensori elementari che permettono la ricostruzione di un’immagine termica.
2. 2. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione 1 che comprende, al suo interno, mezzi di elaborazione elettronica e cablaggi idonei al trasposto di segnali e idonei all’alimentazione elettrica.
3. 3. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione 1 che comprende due sensori ottici 500.
4. 4. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione precedente in cui, in prossimità dell’estremità dell’endoscopio termico (100) destinata ad essere introdotta all’interno del corpo del paziente durante l’intervento chirurgico sono presenti tre finestre ottiche allineate, e detta finestra ottica (220) trasparente alla radiazione infrarossa è posta al centro rispetto alle altre due finestre ottiche (520) che sono trasparenti alla radiazione nel visibile.
5. 5. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione precedente in cui, dette due finestre ottiche (520) trasparenti alla radiazione nel visibile sono posizionate in modo tale che detti due sensori ottici (500) rilevino immagini riguardanti sostanzialmente gli stessi tessuti la cui radiazione infrarossa investe detto sensore termico (400).
6. 6. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione precedente in cui, dette due immagini rilevate da detti due sensori ottici (500) formano un’immagine stereoscopica con effetto tridimensionale, e detta immagine termica rilevata da detto sensore di radiazione infrarossa (400), viene sovrapposta a detta immagine stereoscopica in modo da offrire, tramite opportune rese cromatiche, informazioni riguardanti la temperatura dei tessuti la cui immagine è rilevata da tutti questi sensori.
7. 7. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione 1, in cui detta finestra ottica (220) trasparente alla radiazione infrarossa è costituita di un materiale la cui composizione chimica contiene l’elemento germanio.
8. 8. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione 1, in cui detto sensore (400) di radiazione infrarossa è realizzato con una tecnologia che comprende dei micro-bolometri.
9. 9. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di elaborazione elettronica eseguono una ri-mappatura del segnale d’uscita da detto sensore termico (400) che compensa gli effetti della propagazione della radiazione infrarossa in un ambiente caratterizzato da presenza di anidride carbonica.
10. 10. Endoscopio termico (100) per operazioni chirurgiche secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di elaborazione elettronica e cablaggi sono disposti in modo da occupare uno spazio lungo e sottile, in cui l’area di una sezione ortogonale alla direzione longitudinale è inferiore a tre centimetri quadrati.