ITBO20100100U1 - Somministrazione di energia laser attraverso impulsi di energia di durata e frequenza variabile - Google Patents

Description

DESCRIZIONE di modello di utilità avente per titolo :

Somministrazione di energia laser attraverso impulsi di energia di durata e frequenza variabile

TESTO DELLA DESCRIZIONE

1. Riassunto

Il presente modello di utilità si riferisce ad un generico apparato medicale per laserterapia : la somministrazione di energia laser al paziente in riabilitazione comporta particolare attenzione per evitare di provocare bruciore (con conseguente ustione alla cute) al paziente sottoposto a terapia. L’utilizzo di laser a bassa potenza, o di valori di densità’ di energia bassi, comporta diversi svantaggi :

a. modesta efficacia del trattamento

b. durata dell’applicazione molto lunga per raggiungere valori di energia richiesti dai protocolli terapeutici

c. aumento del costo della seduta di terapia.

Il modello di utilità’ (d’ora in avanti chiamato con il termine metodo) che si intende tutelare consente di superare gli svantaggi sopraindicati riducendo la sensazione di calore (bruciore) che il paziente sottoposto a terapia percepisce per opera della somministrazione di energia laser. Il metodo oggetto di questo brevetto prevede la somministrazione di energia laser al paziente sottoposto a terapia, attraverso impulsi di energia di durata e frequenza variabili per tutta la durata dell’applicazione della terapia, secondo funzioni monotone crescenti o decrescenti.

2. Stato dell’arte

Esistono diversi dispositivi laser per fisioterapia presenti sul mercato, ognuno con caratteristiche di potenze, lunghezze d’onda del laser, frequenze di ripetizione degli impulsi differenti tra loro. Segue un breve elenco in cui sono riportati i prodotti di riferimento presenti sul mercato ad oggi :

1) Costruttore : Winform Modello : YAG SOLID

2) Costruttore : easytech Modello : DUETTO/SPEAR

3) Costruttore : Mectronic Modello : Exand HEL

4) Costruttore : fisioline Modello : lumix 100 - 250

Tutti i sopra citati modelli si differiscono per potenze di picco in uscita, per lunghezza d’onda del laser utilizzato (o dei laser utilizzati), per la durata dell’impulso laser, per le frequenze di ripetizione dell’impulso laser, ma tutti sono accumunati dalle stesse modalità di somministrazione di energia laser al paziente. Infatti tutti questi modelli consentono di trattare una patologia fornendo al paziente energia laser in modo continuo (CW), od in modo pulsato :

a. in modo continuo si fornisce energia al paziente senza interruzioni, con densità’ di energie basse per evitare il riscaldamento cutaneo.

b. in modo pulsato si fornisce energia al paziente sotto forma di impulsi di durata e frequenza di ripetizione degli impulsi definita per il particolare trattamento. E’ cosi’ possibile ridurre l’impatto termico sulla cute del paziente sottoposto a terapia.

3. Problema tecnico

Gli apparati laser per riabilitazione fisica sono caratterizzati dalla potenza di uscita (ottica) massima, espressa in Watt [W], e dalla dimensione dello spot (zona irradiata) espresso in centimetri quadrati [cm<2>]. Entrambi questi parametri concorrono nel calcolo della densità’ di energia con la quale si caratterizza il trattamento a cui sottoporre il paziente.

L’energia irradiata al paziente e’ calcolata secondo la formula seguente

I ) E = Pmed x T E = Energia [j]

Pmed = Potenza media del laser [W]

T = durata del trattamento [s]

Si definisce inoltre il parametro densità’ di energia (j/cm<2>), che indica quanta energia viene fornita dal sistema laser per ogni cm<z>di cute del paziente sottoposto a terapia.

Per esempio, un caso reale, il trattamento prevede la somministrazione di 20 j su una zona di 10 cm<2>, il che significa dare 2 j per ogni cm<2>. E’ chiaro che e’ possibile fornire al paziente questa quantità di energia sia in 10 s (primo caso) che in 100 s (secondo caso), ma con effetti termici sulla cute del paziente molto differenti : mentre nel secondo caso non subirà’ alcun danno, probabilmente nel primo caso potrà’ subire per lo meno un’ustione superficiale localizzata dovuto all’incremento della temperatura della cute per opera del laser.

L’utilizzo di una densità’ di potenza bassa preserva l’integrità’ della cute del paziente, ma non consente di raggiungere gli strati piu’ profondi della cute, quelli in cui si trovano tendini, ossa, legamenti ed altri tessuti che si ha interesse raggiungere, oltre che avere dei tempi lunghi di applicazione del trattamento.

II problema tecnico che si intende risolvere e’ quindi il riscaldamento della cute durante la somministrazione dell’energia laser al paziente.

Esistono soluzioni che prevedono la rimozione del calore generato in modo forzato, attraverso l’utilizzo di aria fredda od applicatori freddi posizionati direttamente sulla zona da trattare col laser. Altre tecniche consentono di rimuovere il calore generato dal laser sfhittando il ricircolo sanguigno naturale della cute : invece che fornire energia in modo costante e continuo per tutto il tempo di trattamento, si generano impulsi di energia di breve durata che vengono ripetuti ad ima data frequenza per tutta la durata del trattamento :

2) E = TPx f x Pmax x T E = Energia fornita [j]

Tp = durata dell’impulso di energia [s]

f = frequenza di ripetizione degli impulsi [Hz]

Pmax = potenza di picco del laser [W]

T = durata del trattamento [s]

Facendo un confronto con l’esempio precedente, per il quale E = 20 j, T = 10 s, risulta evidente che il termine Tp x f x Pmax = 2 W. Se si utilizza un impulso di durata 5 millisecondi [ms], ripetuto alla frequenza di 100 Hz, si deduce che Pmax = 4 W, esattamente il doppio della potenza utilizzata in modalità’ continua. Il vantaggio evidente e’ che in questo modo si utilizza un valore di densità’ di potenza piu’ elevato e quindi l’energia permea nella pelle piu’ in profondità’, limitando la sensazione di bruciore percepita dal paziente sottoposto a terapia. Anche questa modalità’ pulsata comunque rimane soggetta al riscaldamento della cute per opera del laser perche’ comunque c’e’ un riscaldamento medio dell’area interessata dal laser ed un adattamento biologico che fa sentire al paziente la sensazione di bruciore.

4. Soluzione del problema tecnico

Il metodo oggetto di questo brevetto ha lo scopo di ridurre la sensazione di calore che il paziente avverte durante la somministrazione di energia laser ed inoltre intende fornire all’operatore un grado di liberta’ maggiore nella elaborazione di terapie strutturate in programmi complessi.

Si faccia riferimento alla formula n.2 riportata nella pagina precedente.

Il metodo oggetto di questo brevetto prevede la variazione contemporanea sia della durata dell’impulso (TP) che della frequenza (f) di ripetizione dell’impulso, secondo una funzione lineare monotona decrescente per la frequenza, monotona lineare crescente per la durata dell’impulso di energia. In questo modo, man mano che viene fornita energia laser alla cute del paziente (che quindi comincia a scaldarsi), si allungano anche proporzionalmente le pause, in cui la cute si raffredda naturalmente. In questo modo la sensazione di calore percepita dal paziente e’ sensibilmente ridotta. E’ quindi possibile utilizzare valori di densità’ di potenza piu’ elevato rispetto la modalità’ continua o alla modalità’ pulsata, con i vantaggi di :

• ridurre la durata del trattamento a parità’ di energia fornita

• l’energia laser riesce a penetrare piu’ in profondità’ nei tessuti

• a parità’ di durata del trattamento e’ possibile fornire piu’ energia perche’ la sensazione di calore percepita e’ ridotta.

Risulta utile introdurre il parametro duty cycle (D), tale per cui :

3) Tp = D * 1/f D è un numero puro e varia tra 0 e 100

Sostituendo la 3) nella 2) si ha :

4) E = D * Pmax * T

Si potrebbe dedurre che il parametro f sia non rilevante.

In realta’ il parametro f [Hz] gioca un ruolo fondamentale nella riduzione della sensazione di calore, perche’ man mano che viene fornita energia alla cute, la frequenza di ripetizione dell’impulso laser diminuisce e di conseguenza aumenta la pausa, tempo in cui il sangue smaltisce il calore prodotto. Quindi e’ fondamentale la combinazione della variazione monotona crescente del duty cycle e monotona decrescente della frequenza per riuscire a ridurre la sensazione di percezione di calore provato dal paziente sottoposto a terapia laser. Riportiamo, come esempio, i dati utilizzati nel prototipo sviluppato :

T = 10 s

D : varia secondo una funzione lineare monotona crescente (nel tempo T) da 20% al 70 % f : varia secondo una funzione lineare monotona decrescente (nel tempo T) da 100 kHz a 100 Hz

E = 20 j

Ogni altro metodo cercato per fornire al paziente 20 j in 10 s ha provocato una intensa sensazione di bruciore che non ha consentito all’operatore di terminare il ta

paziente in alcun caso.

5. Descrizione di una o più forme di attuazione

La sorgente laser deve essere pilotata da un opportuno circuito elettronico che identificheremo d’ora in avanti col nome di driver, il quale controlla la coerenza di diversi parametri elettrici necessari al suo corretto funzionamento e per proteggerla da eventuali malfunzionamenti dovuti da guasti, disturbi, cadute accidentali o altri problemi.

Per poter realizzare un driver della sorgente laser che consenta di implementare il metodo oggetto di questo brevetto, e’ necessario un driver “intelligente”, dotato cioè’ di elettronica sofisticata e di un microcontrollore in grado di implementare l’algoritmo di controllo descritto di seguito.

5.1 Descrizione algoritmo di controllo del driver

La durata del trattamento (T) viene divisa in un elevato numero di “quanti” di tempo, almeno 10 volte la durata in secondi dell’applicazione : per esempio se la durata dell’applicazione (T) e’ di 10 s, allora il numero (NQ) minimo di quanti di tempo necessari e’ 100.

All’interno dei quanti di tempo si modifica la frequenza di ripetizione degli impulsi in modo discreto : se la frequenza di ripetizione degli impulsi iniziale fstait = 100 kHz e la frequenza di ripetizione degli impulsi finale fend = 100 Hz, allora si può calcolare la variazione della frequenza di ripetizione degli impulsi Af = (100000- 100)/100 = 999 Hz . Quindi la frequenza di ripetizione all’ interno dell’ennesimo quanto di tempo sarà :

5) fn = fstart - n * Af con n che varia in [0..100];

Analoga variazione sara’ calcolata per il duty cycle sulla frequenza corrente del quanto di tempo in esame : Dstan = 20%, Dend = 70%, allora

6) AD<T>(Dend — Dstart)/NQ

Nell’esempio riportato AD = (70-20)7100 = 0,5

Ne consegue che ogni quanto n di tempo e’ caratterizzato da una propria frequenza di ripetizione degli impulsi fn e da un proprio duty cycle dell’ impulso

7) Dn = Dstart n * AD

di conseguenza il tempo per cui viene somministrata energia al paziente all’intemo dell’ennesimo (tn) quanto di tempo risulta essere

8) tonn = 1/fn * Dn

mentre il tempo successivo in cui il laser è spento risulta essere

9) toffn = 1/fn - tonn

Rifacendoci all’esempio precedente, consideriamo n = 1 :

fi = 99001 Hz

Di = 20.5 %

toni = 2.1 us

toffi = 8.0 us

Consideriamo parimenti n = 100

fioo = 100

Dioo = 70 %

tonioo = 7 ms

toffioo = 3 ms

Quindi, man mano che cresce il tempo in cui il laser e’ attivo, cresce anche il tempo in cui il laser e’ spento e ciò’ consente alla cute di adattarsi ed al paziente di sopportare meglio la somministrazione di energia.

L’elettronica di controllo del driver deve quindi essere in grado di calcolare tutti questi valori e controllare i parametri elettrici / ottici del laser in “reai time”, cioè’ aggiornare tali valori per ogni quanto di tempo, con la precisione richiesta dalle specifiche (normative o commerciali che siano).

6. Vantaggi

La somministrazione di energia laser al paziente utilizzando la modalità’ oggetto di questo brevetto consente di :

1) ridurre la durata del trattamento a parità’ di energia fornita

2) l’energia laser riesce a penetrare piu’ in profondità’ nei tessuti

3) a parità’ di durata del trattamento e’ possibile fornire piu’ energia perche’ la sensazione di calore percepita dal paziente e’ ridotta.

I vantaggi sono chiaramente molteplici : riducendo la durata del trattamento e’ possibile aumentare il numero di pazienti trattati quotidianamente, con un incremento dei guadagni per il centro fisioterapico. Poiché’ l’energia laser penetra piu’ in profondità’ nei tessuti, si ha un effetto curativo maggiore e si ha la possibilità’ di operare in zone del corpo con uno “strato molle” maggiore. Ed infine, con la possibilità’ di fornire piu’ energia al paziente, si possono applicare protocolli che non era possibile realizzare precedentemente.

7. Varianti

Di seguito sono descritte alcune possibili varianti del modello di utilità’ oggetto del presente brevetto.

7.1 Variante n.l

La prima variante riguarda la modalità’ di controllo del laser : si può’ modificare il controllo sopradescritto, da tempo discreto a lineare : si può’ pensare di rendere il quanto di tempo infinitamente piccolo , per cui e’ possibile aggiornare in modo lineare la durata di ogni singolo impulso che concorre alla realizzazione della terapia. Tale variante richiede l’utilizzo di matematica complessa (calcolo di serie e sommatorie) ed elettronica con prestazioni superiori all’ implementazione “tempo discreto” descritto nel paragrafo precedente.

7.2 Variante n. 2

ripetizione degli impulsi (f) ed alla durata (t) dei singoli impulsi : questi parametri possono essere fatti variare seguendo una qualsivoglia funzione matematica, anche solo lineare a tratti o semplicemente definita per punti, quindi non necessariamente monotona.

7.3 Variante n, 3

La terza variante applicabile e’ la variazione contemporanea sia della frequenza di ripetizione degli impulsi (f), sia della durata dell’impulso (t), sia della potenza di picco del generatore laser (Pmax), ognuno secondo una qualsivoglia funzione arbitraria. Combinando la variazione contemporanea dei tre parametri f, t, e Pmax all’interno della durata dell’applicazione si possono ottenere di fatto molteplici combinazioni di modalità’ per la somministrazione di energia laser al paziente.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per la somministrazione di energia laser al paziente sottoposto a terapia caratterizzato dal fatto di utilizzare un impulso di energia laser variabile contemporaneamente in durata ed in frequenza di ripetizione.
2. 2) Procedimento per la somministrazione di energia laser al paziente sottoposto a terapia caratterizzato dal fatto di ridurre la sensazione di calore percepita dal paziente stesso durante il trattamento.
3. 3) Procedimento per la somministrazione di energia laser al paziente sottoposto a terapia caratterizzato dalla capacità di fornire una quantità di energia maggiore (a parità di tempo di trattamento) rispetto i procedimenti attualmente presenti sul mercato.