ITFI20080176A1 - "METHOD AND DEVICE FOR ECOGRAPHIC TREATMENT AND MONITORING THROUGH PERCUTANEOUS LASER ABLATION" - Google Patents

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ITFI20080176A1
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IT
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ultrasound
laser
treated
treatment
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Luca Breschi
Leonardo Masotti
Serse Pierotti
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Elesta S R L
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Description

Metodo e dispositivo per il trattamento e monitoraggio ecografico tramite ablazione laser percuteanea Method and device for ultrasound treatment and monitoring by percuteal laser ablation

Descrizione Description

Campo tecnico Technical field

La presente invenzione riguarda il settore delle apparecchiature elettromedicali. Più in particolare, la presente invenzione riguarda il settore delle apparecchiature per il trattamento di ablazione percutanea di tessuti tramite laser. The present invention relates to the sector of electromedical equipment. More particularly, the present invention relates to the field of equipment for the treatment of percutaneous ablation of tissues by means of a laser.

Base dell’invenzione Basis of the invention

La necrosi di un tessuto tumorale può oggi essere conseguita con numerose tecniche, che si distinguono per il grado di invasività, per l’efficacia, per la riproducibilità delle caratteristiche volumetriche e morfologiche della lesione prodotta, per la possibilità di esecuzione in day-hospital, per la tollerabilità da parte del paziente e per i costi ridotti. Questi fattori unitamente agli sviluppi tecnologici conseguiti recentemente permettono lo sviluppo di una serie di applicazioni terapeutiche unificate da un comune denominatore: la microinvasività. The necrosis of a tumor tissue can today be achieved with numerous techniques, which are distinguished by the degree of invasiveness, by the effectiveness, by the reproducibility of the volumetric and morphological characteristics of the lesion produced, by the possibility of performing in day-hospital, for patient tolerability and reduced costs. These factors together with the technological developments recently achieved allow the development of a series of therapeutic applications unified by a common denominator: microinvasiveness.

Rientrano, quindi, in questo gruppo tutte quelle terapie definite come “percutanee”, poiché gli applicatori vengono inseriti attraverso la pelle del paziente, all’interno di aghi sottili, fino a raggiungere il centro della lesione da trattare. Therefore, this group includes all those therapies defined as "percutaneous", since the applicators are inserted through the patient's skin, inside fine needles, until they reach the center of the lesion to be treated.

Tra i potenziali benefici di questi metodi sono inclusi la possibilità di distruggere la zona patologica “in situ” in soggetti non operabili o ad alto rischio chirurgico, la riduzione degli effetti collaterali e dei tempi di degenza se confrontata con quella della chirurgia tradizionale. Among the potential benefits of these methods are included the possibility of destroying the pathological zone "in situ" in inoperable subjects or at high surgical risk, the reduction of side effects and hospitalization times when compared with that of traditional surgery.

L’induzione della necrosi dei tessuti può avvenire per coagulazione attraverso l’uso di differenti sorgenti di energia, come il laser, la radiofrequenza, oppure attraverso l’iniezione di etanolo puro (cosiddetta tecnica PEA, Percoutaneous Ethanol Ablation). The induction of tissue necrosis can occur by coagulation through the use of different energy sources, such as laser, radiofrequency, or through the injection of pure ethanol (so-called PEA technique, Percoutaneous Ethanol Ablation).

L’impiego del laser nella termoterapia sembra essere elettivo per alcuni distretti ed in alcune patologie grazie alla sua efficacia dovuta ad un maggior controllo dell’energia erogata e della estensione della regione di necrosi prodotta. Specialmente nelle patologie tiroidee, sia benigne (gozzo) che maligne, la tecnica laser presenta indubbi vantaggi di efficacia rispetto alle altre tecniche di trattamento. La tecnica di ablazione laser con guida ecografica riduce drasticamente le complicazioni, a volte anche serie, tipiche della PEA e dei trattamenti ablativi da radiofrequenza i quali possono danneggiare parti di organo ancora funzionali o addirittura estendersi in regioni extra-ghiandolari. L’impiego di aghi sottili per il trattamento riduce il dolore per il paziente ed evita i rischi di una anestesia totale. The use of lasers in thermotherapy seems to be elective for some districts and in some pathologies thanks to its effectiveness due to greater control of the energy delivered and the extension of the region of necrosis produced. Especially in thyroid pathologies, both benign (goiter) and malignant, the laser technique has undoubted advantages of effectiveness compared to other treatment techniques. The ultrasound-guided laser ablation technique drastically reduces the complications, sometimes even serious, typical of PEA and radiofrequency ablative treatments which can damage parts of organs that are still functional or even extend into extra-glandular regions. The use of fine needles for treatment reduces pain for the patient and avoids the risks of general anesthesia.

Le nuove apparecchiature laser permettono uscite multiple per le fibre ottiche con un sistema di erogazione parziale della potenza. Questo permette di eseguire con un'unica seduta un trattamento di tipo multi-focale per garantire un maggior volume della lesione indotta. The new laser equipment allows multiple outputs for optical fibers with a partial power delivery system. This allows a multi-focal type treatment to be performed with a single session to ensure a greater volume of the induced lesion.

Nell’attuale procedura terapeutica di ablazione laser i parametri del trattamento laser (potenza e durata, duty cycle) sono impostati dall’operatore prima del’inizio in base alla parvenza ecografica (B-mode ) della regione di interesse o ad altre informazioni diagnostiche provenienti dal percorso clinico del paziente. Il trattamento si conclude nei tempi programmati preventivamente indipendentemente dall’effettivo raggiungimento del risultato previsto in termini di estensione della regione necrotizzata. Solo ad una successiva valutazione di follow-up verrà deciso se procedere ad un nuovo trattamento per necrotizzare eventuali parti residue. In the current laser ablation therapeutic procedure, the parameters of the laser treatment (power and duration, duty cycle) are set by the operator before the start based on the ultrasound appearance (B-mode) of the region of interest or other diagnostic information coming from the patient's clinical path. The treatment ends within the previously scheduled times regardless of the actual achievement of the expected result in terms of extension of the necrotized region. Only at a subsequent follow-up evaluation will it be decided whether to proceed with a new treatment to necrotize any residual parts.

Sono stati fatti tentativi (vedasi i brevetti statunitensi 6865412, 7171253) di realizzare sistemi che forniscono dati utili al trattamento con la misura della temperatura nei tessuti effettuata mediante l’inserimento di sensori a termocoppia. Questo provoca l’aumento dell'invasività della tecnica (più aghi da inserire) e non garantisce una corretta descrizione della lesione prodotta perché il volume di necrosi viene estrapolato dalla misura di temperatura in alcuni punti. Attempts have been made (see US patents 6865412, 7171253) to create systems that provide useful data for treatment with the measurement of the temperature in the tissues carried out by inserting thermocouple sensors. This causes the invasiveness of the technique to increase (more needles to be inserted) and does not guarantee a correct description of the lesion produced because the volume of necrosis is extrapolated from the temperature measurement in some points.

Attualmente la parvenza ecografica dell’immagine B-Mode mostra i suoi limiti per alcune patologie (sia nell’individuazione che nella tipizzazione) e durante il trattamento insorgono difficoltà nel monitoraggio quando i gas sviluppati si diffondono nei tessuti circostanti creando un effetto nebbia e cono d’ombra nella zona posteriore. Currently, the ultrasound semblance of the B-Mode image shows its limits for some pathologies (both in the identification and in the typing) and during the treatment difficulties arise in monitoring when the gases developed diffuse into the surrounding tissues creating a fog and cone effect. shadow in the rear area.

Per superare questi problemi sono stati messi a punto una serie di algoritmi di analisi spettrale del segnale ecografico (US6066098, EP1341003, WO2005033738). Con questi algoritmi è possibile estrarre informazioni quantitative sull’andamento del trattamento ed agire sulla sorgente laser al fine di gestire il trattamento durante il suo svolgimento. La stessa parte di pianificazione dell’intervento e valutazione post-intervento risulta potenziata e efficiente. To overcome these problems, a series of spectral analysis algorithms of the ultrasound signal have been developed (US6066098, EP1341003, WO2005033738). With these algorithms it is possible to extract quantitative information on the progress of the treatment and act on the laser source in order to manage the treatment during its course. The same part of intervention planning and post-intervention evaluation is enhanced and efficient.

Queste tecniche permettono prima l’individuazione della patologia e successivamente il posizionamento degli applicatori ed il monitoraggio della lesione prodotta durante il trattamento stesso. Non solo: essi possono anche agire da feed-back controllando e parzializzando la potenza ottica che esce da ciascun applicatore al fine di “modellare” la regione di tessuto distrutto su quella patologica pianificata nell’intervento. Le tecniche ad ultrasuoni di ricostruzione 3D permettono la valutazione prospettica della zona patologica da trattare e quindi possono essere di ausilio al posizionamento degli aghi e alla pianificazione pre-intervento del trattamento. These techniques allow first the identification of the pathology and then the positioning of the applicators and the monitoring of the lesion produced during the treatment itself. Not only that: they can also act as feed-back by controlling and partializing the optical power that comes out of each applicator in order to "model" the destroyed tissue region on the pathological one planned in the intervention. The 3D reconstruction ultrasound techniques allow the prospective evaluation of the pathological area to be treated and therefore can be an aid to the positioning of the needles and to the pre-intervention planning of the treatment.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

L’invenzione si colloca nel campo della terapia laser e della diagnostica ecografica. Secondo un aspetto, l’invenzione si prefigge di realizzare un apparato innovativo atto ad offrire la possibilità di collezionare informazioni prima durante e dopo il trattamento e di impiegarle per guidare il trattamento, al fine di ottenere la massima efficacia dello stesso. A tale scopo, secondo alcune forme di realizzazione l’apparato è dotato di un applicatore multiplo parzializzabile, la cui parzializzazione della potenza emessa può dar luogo ad un volume di necrosi coagulativa di forma arbitraria. The invention is located in the field of laser therapy and ultrasound diagnostics. According to one aspect, the invention aims to create an innovative apparatus designed to offer the possibility of collecting information before, during and after the treatment and to use them to guide the treatment, in order to obtain the maximum effectiveness of the same. For this purpose, according to some embodiments, the apparatus is equipped with a multiple partializable applicator, whose partialization of the emitted power can give rise to an arbitrary volume of coagulative necrosis.

Secondo alcuni aspetti, l’invenzione propone un’apparecchiatura che migliora l’applicazione delle tecniche mini-invasive di ablazione laser grazie all’uso combinato della sorgente laser e di strumenti di ausilio per il monitoraggio. In queste applicazioni l’impiego di un metodo di imaging per il corretto posizionamento degli applicatori della radiazione laser nella regione da trattare e per il monitoraggio in tempo reale del trattamento risulta di estrema importanza se si vuol garantire un elevato numero di successi della procedura. According to some aspects, the invention proposes equipment that improves the application of minimally invasive laser ablation techniques thanks to the combined use of the laser source and monitoring tools. In these applications, the use of an imaging method for the correct positioning of the laser radiation applicators in the region to be treated and for real-time monitoring of the treatment is extremely important if you want to ensure a high number of procedure successes.

Fra i metodi di imaging attualmente disponibili gli ultrasuoni sono sembrano presentare alcuni importanti vantaggi come la semplicità di impiego, la non nocività per il paziente ed imaging in tempo reale. Among the imaging methods currently available, ultrasounds seem to have some important advantages such as ease of use, non-harmfulness for the patient and real-time imaging.

L’apparecchiatura oggetto della presente invenzione nasce dalla fusione di due tecnologie preesistenti: la tecnologia laser e la tecnologia ecografia, le quali danno luogo ad un nuovo sistema integrato con caratteristiche congiunte di diagnosi-terapia e monitoraggio. The equipment object of the present invention is born from the fusion of two pre-existing technologies: laser technology and ultrasound technology, which give rise to a new integrated system with joint diagnosis-therapy and monitoring features.

Il sistema ecografico così come l’apparato laser presentano sviluppi tecnici innovativi implementati appositamente per l’applicazione dell’ablazione percutanea tramite laser (PLA: Percutaneous Laser Ablation). Entrambe le apparecchiature (laser ed ecografia) comandate da un’unità di controllo che gestisce e reimposta i parametri dell’una e dell’altra. The ultrasound system as well as the laser apparatus feature innovative technical developments implemented specifically for the application of percutaneous laser ablation (PLA: Percutaneous Laser Ablation). Both devices (laser and ultrasound) controlled by a control unit that manages and resets the parameters of both.

Secondo una forma di realizzazione, l’invenzione prevede un apparato comprendente: According to an embodiment, the invention provides an apparatus comprising:

3⁄4 un generatore laser con almeno un modulo di erogazione di un fascio laser<attraverso una fibra ottica verso un erogatore ad ago o simile;>3⁄4 a laser generator with at least one module for delivering a laser beam <through an optical fiber towards a needle dispenser or the like;>

3⁄4 un sistema ecografico in grado di produrre in tempo reale immagini della zona di<interesse;>3⁄4 an ultrasound system capable of producing images of the area of <interest;> in real time

3⁄4 un’unità di controllo programmata per eseguire almeno un algoritmo di controllo del trattamento di ablazione percutanea, sulla base di informazioni ottenute dal segnale ottenuto dal sistema ecografico. 3⁄4 a control unit programmed to execute at least one control algorithm of the percutaneous ablation treatment, based on information obtained from the signal obtained from the ultrasound system.

Preferibilmente l’apparato comprende una pluralità di moduli laser ed una pluralità di uscite laser per corrispondenti fibre ottiche associabili a rispettivi aghi o altri applicatori percutanei. In questo modo è possibile trattare in tempi rapidi un volume più ampio di tessuto, ad esempio per provocare la necrosi di ampie lesioni tumorali. Inoltre, secondo alcune forme di realizzazione preferite dell’invenzione, ciascun modulo laser può essere controllato indipendentemente dagli altri, per modulare la potenza erogata, oppure anche interrompere l’erogazione di potenza laser dall’uno o dall’altro degli aghi, in funzione delle esigenze di trattamento, il tutto sotto il controllo (manuale od automatico) reso possibile dalla combinazione delle sorgenti laser con l’apparecchiatura ecografica, su cui è implementato un algoritmo atto a verificare l’eventuale insorgenza di condizioni di irraggiamento eccessive per un corretto trattamento del tessuto. Preferably the apparatus comprises a plurality of laser modules and a plurality of laser outputs for corresponding optical fibers that can be associated with respective needles or other percutaneous applicators. In this way, a larger volume of tissue can be treated quickly, for example to cause necrosis of large tumor lesions. Furthermore, according to some preferred embodiments of the invention, each laser module can be controlled independently from the others, to modulate the delivered power, or even interrupt the delivery of laser power from one or the other of the needles, depending on the treatment needs, all under the control (manual or automatic) made possible by the combination of the laser sources with the ultrasound equipment, on which an algorithm is implemented to verify the possible occurrence of excessive irradiation conditions for a correct treatment of the tissue.

Secondo un aspetto, l'invenzione riguarda un apparato di termo-ablazione laser percutanea, comprendente in combinazione: un dispositivo laser con almeno un modulo di erogazione di potenza ed un applicatore; un dispositivo ecografico con almeno un trasduttore ecografico; un monitor; un'interfaccia utente; un'unità di controllo connessa a detta interfaccia, a detto monitor, a detto dispositivo laser ed a detto dispositivo ecografico per sovrapporre ad una immagine ecografica del tessuto in trattamento un'indicazione visiva rappresentativa dell'andamento del processo di termo-ablazione. In alcune forme di realizzazione, l'indicazione viene fornita tramite una mappa cromatica sovrapposta all'immagine ecografica, ad esempio una immagine B-mode. According to one aspect, the invention relates to a percutaneous laser thermo-ablation apparatus, comprising in combination: a laser device with at least one power supply module and an applicator; an ultrasound device with at least one ultrasound transducer; a monitor; a user interface; a control unit connected to said interface, to said monitor, to said laser device and to said ultrasound device to superimpose on an ultrasound image of the tissue being treated a visual indication representative of the progress of the thermo-ablation process. In some embodiments, the indication is provided by a chromatic map superimposed on the ultrasound image, for example a B-mode image.

Quando l'apparato comprende una pluralità di moduli di erogazione laser indipendenti, ciascuno di essi può essere corredato di almeno un applicatore. Per applicatore si intende un generico complesso di organi atti a convogliare l'energia laser dalla sorgente contenuta nel modulo di erogazione sino al punto all'interno del tessuto da trattare. Tali applicatori comprendono in generale una guida d'onda, tipicamente una fibra ottica, con un connettore alla sorgente laser ed un connettore terminale, cioè alla zona distale, tramite il quale la fibra od altra guida d'onda viene interfacciata ad un organo che attraversa i tessuti guidando l'estremità della fibra sino nel volume di tessuto da trattare. Questo organo è tipicamente una cannula od un ago pervio. Con il termine ago si intende, nell'ambito della presente descrizione, un qualunque elemento atto a guidare la fibra ottica dall'epidermide verso l'interno del tessuto da trattare. When the apparatus comprises a plurality of independent laser delivery modules, each of them can be equipped with at least one applicator. By applicator we mean a generic set of organs suitable for conveying the laser energy from the source contained in the delivery module to the point inside the tissue to be treated. Such applicators generally comprise a waveguide, typically an optical fiber, with a connector to the laser source and a terminal connector, i.e. to the distal zone, through which the fiber or other waveguide is interfaced to an organ that crosses the fabrics guiding the end of the fiber up to the volume of fabric to be treated. This organ is typically a cannula or a patent needle. In the context of the present description, the term needle means any element suitable for guiding the optical fiber from the epidermis towards the interior of the tissue to be treated.

Vantaggiosamente, secondo alcune forme di realizzazione gli applicatori comprendono un sistema di codifica, per distinguere un applicatore dall'altro. Preferibilmente gli aghi degli applicatori presentano caratteristiche di ecogenicità differenziata per consentire una individuazione dei singoli aghi tramite il segnale ecografico. Ad esempio, ciascun ago può presentare una lavorazione superficiale che altera il segnale ecografico generato dall'ago. Lavorando superficialmente in modo diverso un ago dall'altro si ottiene la possibilità di distinguere gli aghi. Il riconoscimento degli aghi può essere effettuato dall'operatore che gestisce in modo manuale o parzialmente manuale il processo di ablazione. In alcune forme di realizzazione particolarmente evolute e vantaggiose dell'invenzione, l'unità di controllo è in grado di riconoscere i singoli aghi in modo da poter intervenire automaticamente sulle condizioni di erogazione dei singoli moduli laser in base alle informazioni fornite dal sistema ecografico sullo svolgimento del processo di ablazione o più in generale sull'interazione tra radiazione laser e tessuto. Questo permette ad esempio di parzializzare, cioè ridurre, in modo automatico la potenza emessa da ogni singolo modulo per evitare il surriscaldamento, la vaporizzazione e/o la carbonizzazione dei tessuti trattati. Ciò al fine di evitare l'insorgenza di condizioni che generano coni d'ombra nel volume di tessuto trattato, che possono ostacolare, rallentare od impedire del tutto il trattamento dei tessuto interessati. L'utilizzo di una pluralità di aghi consente anche di aumentare il volume trattato. E' infatti possibile, ad esempio, modulare la potenza e/o il tempo di erogazione dell'una o dell'altra fibra in funzione del volume da trattare. Il controllo ottenibile tramite l'impiego della sonda ecografica permette di evitare la carbonizzazione dei tessuti e quindi aumentare il tempo e/o la potenza di erogazione senza rischio di carbonizzazione, aumentando di conseguenza il volume complessivo interessato dalla radiazione laser. Advantageously, according to some embodiments the applicators comprise a coding system, to distinguish one applicator from the other. Preferably, the applicator needles have differentiated echogenicity characteristics to allow the individual needles to be identified by means of the ultrasound signal. For example, each needle may have a surface processing that alters the ultrasound signal generated by the needle. By working superficially in a different way one needle from the other, it is possible to distinguish the needles. The recognition of the needles can be carried out by the operator who manages the ablation process manually or partially manually. In some particularly advanced and advantageous embodiments of the invention, the control unit is able to recognize the individual needles so as to be able to intervene automatically on the delivery conditions of the individual laser modules based on the information provided by the ultrasound system on the development of the ablation process or more generally on the interaction between laser radiation and tissue. This allows, for example, to automatically choke, i.e. reduce, the power emitted by each individual module to avoid overheating, vaporization and / or carbonization of the treated fabrics. This is in order to avoid the onset of conditions that generate shadow cones in the volume of treated tissue, which can hinder, slow down or completely prevent the treatment of the affected tissue. The use of a plurality of needles also allows to increase the treated volume. It is in fact possible, for example, to modulate the power and / or delivery time of one or the other fiber as a function of the volume to be treated. The control obtainable through the use of the ultrasound probe allows to avoid tissue carbonization and therefore increase the delivery time and / or power without risk of carbonization, consequently increasing the overall volume affected by the laser radiation.

Secondo alcune vantaggiose forme di realizzazione, l'unità di controllo è programmata per rilevare attraverso il segnale ecografico un movimento generato nel tessuto in trattamento dal riscaldamento provocato dall'energia laser. Tale rilevamento può essere eseguito con una tecnica Doppler Color Flow, oppure Power Doppler o sulla base di altri algoritmi idonei a rilevare i movimenti determinati dall'insorgenza di microbolle o di microcontrazioni locali dei tessuti in trattamento, dovute all'effetto termico. Alcuni di questi algoritmi verranno descritti in seguito a titolo meramente esemplificativo, essendo inteso che l'invenzione non è limitata ai metodi ed algoritmi descritti. Al contrario, essa comprende qualunque sistema che sia in grado di estrarre da un segnale ecografico una informazione utile alla determinazione delle condizioni di interazione tra radiazione laser e tessuto, in specie informazioni relative a condizioni di eccessivo o corretto riscaldamento dei tessuti. According to some advantageous embodiments, the control unit is programmed to detect through the ultrasound signal a movement generated in the tissue being treated by the heating caused by the laser energy. This detection can be performed with a Doppler Color Flow technique, or Power Doppler or on the basis of other algorithms suitable for detecting the movements caused by the onset of microbubbles or local microcontractions of the tissues being treated, due to the thermal effect. Some of these algorithms will be described below by way of example only, it being understood that the invention is not limited to the methods and algorithms described. On the contrary, it includes any system capable of extracting from an ultrasound signal useful information for determining the conditions of interaction between laser radiation and tissue, in particular information relating to conditions of excessive or correct heating of the tissues.

In generale, l'unità di controllo dell'apparato della presente invenzione può essere programmata per eseguire una o più delle seguenti funzioni tramite il segnale acquisito dal dispositivo ecografico: rilevare l'estensione di un tessuto patologico da trattare; rilevare l'andamento del trattamento del tessuto durante l'irradiamento dell'energia laser; segnalare una condizione di eccessivo riscaldamento del tessuto in trattamento; modificare le condizioni di erogazione dell'energia laser in funzione delle condizioni di riscaldamento del tessuto in trattamento; verificare l'estensione della zona trattata. In general, the control unit of the apparatus of the present invention can be programmed to perform one or more of the following functions through the signal acquired by the ultrasound device: detecting the extent of a pathological tissue to be treated; detect the progress of the tissue treatment during the irradiation of the laser energy; signal a condition of excessive heating of the tissue being treated; modify the conditions of delivery of laser energy according to the heating conditions of the tissue being treated; check the extent of the treated area.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche e forme di realizzazione dell’apparato saranno descritte nel seguito con riferimento ad alcuni esempi di realizzazione non limitativi dell’invenzione e sono indicate nelle allegate rivendicazioni. Further advantageous features and embodiments of the apparatus will be described below with reference to some non-limiting embodiments of the invention and are indicated in the attached claims.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

L'invenzione verrà meglio compresa seguendo la descrizione e l'unito disegno, il quale mostra pratiche forme di realizzazione dell'invenzione. Più in particolare, nel disegno mostrano: The invention will be better understood by following the description and the attached drawing, which shows practical embodiments of the invention. More specifically, in the drawing they show:

la Fig.1 uno schema a blocchi di un dispositivo secondo l'invenzione; Fig.1 is a block diagram of a device according to the invention;

la Fig.2 un diagramma illustrativo del funzionamento di un cosiddetto "wall filter" per estrarre le componenti del segnale dovute alle sole parti in movimento; Fig.2 is an illustrative diagram of the operation of a so-called "wall filter" to extract the signal components due only to the moving parts;

la Fig.3 una rappresentazione su monitor di una immagine ecografica con sovrapposta mappa cromatica rappresentativa dei movimenti del tessuto e/o di bolle generate nei tessuti, ottenuta tramite l'applicazione dell'algoritmo Color Flow ad un trattamento di termo-ablazione laser; Fig.3 is a representation on a monitor of an ultrasound image with a superimposed chromatic map representative of the movements of the tissue and / or of the bubbles generated in the tissues, obtained by applying the Color Flow algorithm to a laser thermo-ablation treatment;

la Fig.4 l'evoluzione temporale del trattamento di tessuto epatico tramite termoablazione laser; Fig.4 the temporal evolution of hepatic tissue treatment by laser thermoablation;

la Fig.5 un ulteriore diagramma del comportamento di un filtro "wall"; Fig.5 is a further diagram of the behavior of a "wall" filter;

la Fig.6 una immagine ecografica con sovrapposta mappa cromatica ottenuta tramite l'utilizzo del segnale Power Doppler filtrato tramite il filtro di Fig.5; Fig.6 an ultrasound image with superimposed chromatic map obtained by using the Power Doppler signal filtered through the filter of Fig.5;

la Fig.7 un diagramma a blocchi illustrativo di un algoritmo basato sull'elaborazione del segnale ultrasonico a radiofrequenza per ottenere informazioni sulla formazione di bolle nella zona in cui viene eseguita una termoablazione laser percutanea; la Fig.8 tracce ecografiche relative alla stessa linea di vista ma acquisite a distanza temporale di 30 millisecondi, su cui può essere applicato l'algoritmo di cui alla Fig.7; Fig.7 is a block diagram illustrating an algorithm based on the processing of the radiofrequency ultrasonic signal to obtain information on the formation of bubbles in the area where a percutaneous laser thermal ablation is performed; Fig.8 ultrasound traces relating to the same line of sight but acquired at a temporal distance of 30 milliseconds, on which the algorithm of Fig.7 can be applied;

le Figg.9 e 10 schemi a blocchi illustrativi di ulteriori algoritmi secondo l'invenzione; Figures 9 and 10 illustrative block diagrams of further algorithms according to the invention;

la Fig.11 le immagini B-mode di un tessuto epatico sottoposto a trattamento di termo ablazione laser, la stessa immagine elaborata con il sistema secondo l'invenzione e la sovrapposizione dell'immagine B-mode all'immagine ottenuta per elaborazione; Fig.11 the B-mode images of a liver tissue subjected to laser thermo ablation treatment, the same image processed with the system according to the invention and the superimposition of the B-mode image on the image obtained by processing;

la Fig.12 immagini B-mode ed elaborate con un algoritmo di caratterizzazione spettrale per evidenziare le zone di tessuto patologico da trattare prima e dopo il trattamento tramite termo ablazione laser; e Fig. 12 B-mode images and processed with a spectral characterization algorithm to highlight the areas of pathological tissue to be treated before and after treatment by laser thermo ablation; And

la Fig.13 l'andamento temporale della denaturazione dei tessuti trattati tramite termo ablazione laser, tramite sovrapposizione di un codice cromatico all'immagine B-mode. Fig. 13 shows the time course of the denaturation of tissues treated by laser thermo ablation, by superimposing a chromatic code on the B-mode image.

Descrizione dettagliata di forme di attuazione dell’invenzione Detailed description of forms of implementation of the invention

In sintesi, secondo alcune forme di realizzazione, l’apparato della presente invenzione<comprende in combinazione::>In summary, according to some embodiments, the apparatus of the present invention <comprises in combination ::>

• Un kit di aghi per termo-ablazione laser composto da fibre ottiche e da un sistema di guide per inserimento degli aghi, realizzato ad esempio come descritto in WO-A-2008/068789. A tale scopo, secondo una possibile forma di realizzazione l'invenzione prevede un kit di fibre ottiche per il trattamento ablativo percutaneo comprendente almeno due fibre ottiche, ciascuna delle quali è corredata di un connettore ad una sorgente laser e, in prossimità dell’estremità distale della fibra (da cui viene emessa la radiazione laser), di un dispositivo di vincolo ad un ago pervio o cannula. Secondo l’invenzione, le fibre del kit sono caratterizzate da un sistema di codifica che consente di caratterizzare, in altre parole di distinguere una fibra rispetto all'altra. Questo consente all'operatore di intervenire in modo più rapido, quando devono essere eseguite modifiche delle condizioni di funzionamento di ciascuna fibra, poiché le varie fibre possono essere più<agevolmente individuate.>• A kit of needles for laser thermo-ablation consisting of optical fibers and a guide system for inserting the needles, made for example as described in WO-A-2008/068789. For this purpose, according to a possible embodiment, the invention provides an optical fiber kit for the percutaneous ablative treatment comprising at least two optical fibers, each of which is equipped with a connector to a laser source and, near the distal end of the fiber (from which the laser radiation is emitted), of a binding device to a patent needle or cannula. According to the invention, the fibers of the kit are characterized by a coding system that allows to characterize, in other words to distinguish one fiber from the other. This allows the operator to intervene more quickly when changes to the operating conditions of each fiber must be made, since the various fibers can be more <easily identified.>

• Un sistema ecografico in grado di produrre in tempo reale delle immagini multi parametriche della zona di interesse, corredato di un opportuno software di elaborazione, nel seguito descritto in maggiore dettaglio. La rappresentazione in tempo reale avviene in immagini composite, dove un codice cromatico risultante dall’elaborazione dei dati viene sovrapposto ad una immagine B-Mode convenzionale la quale contiene informazioni sulle strutture anatomiche utile al medico per il posizionamento della sonda ecografica. Questo sistema supporta l’implementazione di algoritmi di analisi spettrale del segnale a RF come descritto in (US6066098, EP1341003, WO2005033738). • An ultrasound system capable of producing multi-parametric images of the area of interest in real time, equipped with appropriate processing software, described in greater detail below. The real-time representation takes place in composite images, where a color code resulting from data processing is superimposed on a conventional B-Mode image which contains information on the anatomical structures useful for the doctor for positioning the ultrasound probe. This system supports the implementation of spectral analysis algorithms of the RF signal as described in (US6066098, EP1341003, WO2005033738).

L’apparato comprende nel suo insieme due tecnologie differenti: la tecnologia degli ultrasuoni, che permette in modalità non invasiva di produrre immagini in tempo reale delle parti anatomiche, e la tecnologia laser che permette l’emissione di una un campo elettromagnetico di tipo laser (Light Amplification by Stimolated Emission of Radiation) con le proprietà di direttività, monocromaticità, coerenza. The apparatus comprises two different technologies as a whole: the ultrasound technology, which allows in a non-invasive way to produce images in real time of the anatomical parts, and the laser technology which allows the emission of a laser type electromagnetic field ( Light Amplification by Stimolated Emission of Radiation) with the properties of directivity, monochromaticity, coherence.

La tecnologia ecografica permette di eccitare una sonda piezoelettrica che provvede alla generazione di un campo acustico che si propaga nei tessuti sottostanti. L'eco proveniente dai tessuti è ricevuta mediante lo stesso trasduttore ed un segnale elettrico detto segnale a Radio Frequenza viene ricostruito per ogni linea di vista. Generando una serie contigua di linee di vista si ottiene una immagine bidimensionale detto frame ecografico con corrispondenza fra tempo di ritardo nel segnale ricevuto e profondità dei tessuti considerando la velocità degli ultrasuoni costante. Il frame ecografico può essere elaborato secondo diversi algoritmi. Il più semplice prevede l’estrazione di inviluppo cioè di un segnale che segue le creste del segnale a RF e quindi è collegato alla sua ampiezza. Il segnale inviluppo viene impiegato poi per la realizzazione di immagini B-MODE. Altri tipi di eccitazione della sonda ultrasonica che impiegano altri fenomeni fisici per la formazione dell’immagine (ad esempio effetto Doppler) provvedono alla realizzazione idi immagini di tipo differente come il Color Flow, Power Doppler. L’apparato ecografico ha, al suo interno, una serie di moduli per l’elaborazione di questi segnali al fine di produrre parametri ed indici utili al controllo del processo di termo ablazione. The ultrasound technology allows to excite a piezoelectric probe which generates an acoustic field that propagates in the underlying tissues. The echo coming from the tissues is received by the same transducer and an electrical signal called Radio Frequency signal is reconstructed for each line of sight. By generating a contiguous series of lines of sight, a two-dimensional image called ultrasound frame is obtained with correspondence between delay time in the received signal and tissue depth considering the constant ultrasound speed. The ultrasound frame can be processed according to different algorithms. The simplest involves the extraction of the envelope, that is, of a signal that follows the crests of the RF signal and is therefore connected to its amplitude. The envelope signal is then used for the realization of B-MODE images. Other types of excitation of the ultrasonic probe that use other physical phenomena for image formation (for example the Doppler effect) provide for the realization of images of different types such as Color Flow, Power Doppler. The ultrasound system has, inside, a series of modules for processing these signals in order to produce parameters and indices useful for controlling the thermo ablation process.

In Fig.1 è rappresentato schematicamente sotto forma di diagramma a blocchi l'apparato, complessivamente indicato con 2. Con 1 è indicato il dispositivo ecografico, interfacciato ad una unità di controllo 3, a sua volta corredata di una interfaccia utente 5. Con 7 è indicata genericamente una sonda piezoelettrica collegata al dispositivo ecografico 1. In Fig. 1 the apparatus is schematically represented in the form of a block diagram, indicated as a whole by 2. With 1 is indicated the ultrasound device, interfaced with a control unit 3, in turn equipped with a user interface 5. With 7 a piezoelectric probe connected to the ultrasound device 1 is generally indicated.

L'apparato 2 comprende, inoltre, un dispositivo laser 9 costituito, in questo esempio di realizzazione, da quattro moduli laser indipendenti 11, gestiti da una elettronica di tipo digitale incorporata nell'unità di controllo 3. La potenza per ogni uscita può variare ad esempio da zero a 10 W a passi di 0.5W. Questo permette la completa programmabilità del sistema tramite l'interfaccia 5. Il sistema Laser interagisce con il dispositivo 1 ecografico attraverso protocolli di comunicazione proprietari. Con 13 è indicato un monitor collegato all'unità di controllo 3, per la visualizzazione delle immagini ecografiche e con 15 un interruttore a pedale. Ciascun modulo laser 11 è collegato ad una fibra ottica 17 che porta, alla propria estremità distale, un connettore genericamente indicato con 19 ed un ago 21 per la penetrazione della fibra ottica nel tessuto da trattare. La configurazione della fibra ottica, del connettore e dell'ago sono di per sé noti (vedasi ad esempio la letteratura brevettuale citata in precedenza) e non verranno descritti in maggiore dettaglio in questa sede. The apparatus 2 also comprises a laser device 9 constituted, in this embodiment, by four independent laser modules 11, managed by a digital type electronics incorporated in the control unit 3. The power for each output can vary depending on the example from zero to 10 W in steps of 0.5W. This allows the complete programmability of the system through the interface 5. The Laser system interacts with the ultrasound device 1 through proprietary communication protocols. 13 indicates a monitor connected to the control unit 3, for viewing the ultrasound images and 15 indicates a foot switch. Each laser module 11 is connected to an optical fiber 17 which carries, at its distal end, a connector generally indicated with 19 and a needle 21 for the penetration of the optical fiber into the tissue to be treated. The configuration of the optical fiber, the connector and the needle are known per se (see for example the patent literature cited above) and will not be described in greater detail here.

I quattro moduli laser indipendenti 11 sono in grado di lavorare in due modalità: 1. onda continua: in cui si varia la potenza totale della sorgente The four independent laser modules 11 are able to work in two modes: 1. continuous wave: in which the total power of the source is varied

2. modo pulsato: in cui si varia la potenza media tramite il controllo di tre parametri: potenza di picco; duty cycle e frequenza di ripetizione degli impulsi. Attraverso il controllo digitale i parametri del trattamento possono essere cambiati anche durante il trattamento tramite l'interfaccia 5 e questo permette di gestire la legge di trattamento nel tempo. La legge di trattamento è una curva nel tempo che descrive l’erogazione della potenza sia essa pulsata che continua. Cambiando la legge di trattamento si ottengono risultati di coagulazione differenti in termini di volume necrosi e coagulazione indotti nei tessuti. 2. pulsed mode: in which the average power is varied by controlling three parameters: peak power; duty cycle and pulse repetition frequency. Through the digital control the treatment parameters can be changed also during the treatment through the interface 5 and this allows to manage the treatment law over time. The treatment law is a curve over time that describes the delivery of both pulsed and continuous power. By changing the law of treatment, different coagulation results are obtained in terms of volume, necrosis and coagulation induced in the tissues.

Questo sistema può lavorare in due modalità: This system can work in two ways:

1. a pieno controllo dell’utente 1. in full control of the user

2. con supporto ecografico e supervisione dell’operatore 2. with ultrasound support and operator supervision

Nella prima modalità i dati di potenza ed energia erogate durante il trattamento da ogni fibra sono impostati dall’operatore, mentre nell’altra modalità sono determinati dal sistema di monitoraggio del trattamento sotto supervisione esterna. In the first mode, the power and energy data delivered by each fiber during treatment are set by the operator, while in the other mode they are determined by the treatment monitoring system under external supervision.

Secondo alcune forme di realizzazione, il software di elaborazione eseguito tramite l'unità di controllo 3, od altra unità logica di elaborazione, è composto da diversi moduli con le seguenti delle caratteristiche: According to some embodiments, the processing software executed through the control unit 3, or other logical processing unit, is composed of several modules with the following characteristics:

1. modulo software per la valutazione della posizione e dell’estensione anatomica della lesione da trattare; questo modulo può essere realizzato secondo quanto descritto ad esempio in US2003/0167003 o in US2006/0277998, il cui contenuto è incorporato nella presente descrizione; 1. software module for evaluating the position and anatomical extension of the lesion to be treated; this module can be realized according to what is described for example in US2003 / 0167003 or in US2006 / 0277998, the content of which is incorporated in the present description;

2. modulo software di pianificazione dell’intervento il quale dà informazioni all’operatore sulle modalità di inserimento degli aghi e sulle dosi di energia da erogare per ogni 3. modulo software per il monitoraggio dell’andamento della coagulazione dei tessuti durante il trattamento. 2. intervention planning software module which gives information to the operator on how to insert the needles and on the energy doses to be delivered for each 3. software module for monitoring the coagulation trend of the tissues during treatment.

Quest'ultimo modulo software consente di modificare (in modo automatico oppure tramite l'intervento dell'operatore) l'andamento del processo di ablazione, evitando ad esempio il surriscaldamento di determinate zone del tessuto in trattamento, così da impedire la formazione di vapori o zone carbonizzate che ostacolino o addirittura impediscano il corretto proseguimento del processo di necrosi dei tessuti. This last software module allows to modify (automatically or through the intervention of the operator) the progress of the ablation process, avoiding, for example, the overheating of certain areas of the tissue being treated, so as to prevent the formation of vapors or charred areas that hinder or even prevent the correct continuation of the tissue necrosis process.

In alcune forme di realizzazione il modulo software per il monitoraggio dell'andamento della coagulazione, o di altro processo desiderato provocato dall'interazione tra radiazione laser e tessuto, è basato su di un algoritmo che elabora il segnale Doppler. In some embodiments, the software module for monitoring the coagulation trend, or other desired process caused by the interaction between laser radiation and tissue, is based on an algorithm that processes the Doppler signal.

Il segnale Doppler proveniente dalla regione del trattamento è strettamente correlato con l’agitazione termica dei tessuti e la formazione di microbolle gassose, le quali si generano per eccessivo riscaldamento della regione di tessuto con successiva evaporazione dei liquidi cellulari ed intercellulari. La disidratazione dei tessuti prodotta da eccessivo riscaldamento può arrivare sino a provocare la carbonizzazione dei tessuti, la quale limita la trasmissione della radiazione laser alle regioni circostanti limitando così l’efficacia del trattamento. The Doppler signal from the treatment region is closely correlated with the thermal agitation of the tissues and the formation of gaseous microbubbles, which are generated by excessive heating of the tissue region with subsequent evaporation of cellular and intercellular liquids. The dehydration of the tissues produced by excessive heating can even cause tissue carbonization, which limits the transmission of laser radiation to the surrounding regions, thus limiting the effectiveness of the treatment.

L’algoritmo di controllo, quindi, elabora il segnale Doppler proveniente dalla regione di interesse e produce un indice della presenza e/o della formazione di microbolle gassose e agitazione termica dei tessuti. Tale indicazione viene quindi impiegata dall'unità di controllo 3 per controllare la potenza emessa da ciascun applicatore 17, 19, 21, quindi da ciascun modulo 11. In una versione tecnologicamente avanzata del sistema di controllo è prevista la segmentazione dell’immagine ecografica con relativo contenuto Doppler in porzioni distinte in base alla localizzazione degli applicatori. Questo permette di gestire individualmente ciascun modulo 11 riducendo - se necessario - la potenza emessa. In altre forme di realizzazione più semplici ma meno vantaggiose, il software può limitarsi a generare una immagine sovrapposta all'immagine ecografica sul monitor 13, così che l'operatore può intervenire manualmente per ridurre la potenza emessa dall'uno o dall'altro dei moduli 11, oppure per interrompere completamente l'emissione, ad esempio azzerando la potenza trasmessa alla fibra interessata oppure semplicemente staccando la relativa fibra ottica 17 dal modulo laser 11. A tale scopo i singoli applicatori (17, 19, 21) possono presentare un sistema di codifica per individuare in modo rapido quale dei singoli applicatori richiede un intervento di parzializzazione, cioè di riduzione della potenza erogata, oppure di interruzione dell'erogazione. Esempi di sistemi di codifica per questo scopo sono descritti ad esempio in WO-A-2008/068789, il cui contenuto è incorporato nella presente descrizione. The control algorithm, therefore, processes the Doppler signal from the region of interest and produces an index of the presence and / or formation of gaseous microbubbles and thermal agitation of the tissues. This indication is then used by the control unit 3 to control the power emitted by each applicator 17, 19, 21, therefore by each module 11. In a technologically advanced version of the control system, the segmentation of the ultrasound image with relative Doppler content in distinct portions based on the location of the applicators. This allows each module 11 to be managed individually by reducing - if necessary - the power emitted. In other simpler but less advantageous embodiments, the software can limit itself to generating an image superimposed on the ultrasound image on the monitor 13, so that the operator can intervene manually to reduce the power emitted by one or the other of the modules. 11, or to completely stop the emission, for example by zeroing the power transmitted to the fiber concerned or simply by disconnecting the relative optical fiber 17 from the laser module 11. For this purpose, the individual applicators (17, 19, 21) can have a system of coding to quickly identify which of the individual applicators requires a partialization intervention, that is, a reduction in the delivered power, or interruption of the delivery. Examples of coding systems for this purpose are described for example in WO-A-2008/068789, the content of which is incorporated in the present description.

Un possibile algoritmo che impiega il segnale Doppler per evidenziare l'insorgere di fenomeni di generazione di microbolle è descritto seguito. A possible algorithm that uses the Doppler signal to highlight the onset of microbubble generation phenomena is described below.

La tecnica impiegata è quella del Color Flow che impiega algoritmi di correlazione fra segnali ultrasonici. Questa tecnica impiega una sequenza di impulsi per ogni linea di vista tramite cui vengono rivelati i cambiamenti fra due tracce ecografiche successive. In condizioni stazionarie non ci sono variazioni fra due segnali ecografici per la stessa linea di vista nel tempo e quindi non si ha nessun segnale rilevato. In condizioni di movimento dei tessuti si ha un segnale netto utile per la formazione dell’immagine Color Flow (CF). Le tecniche proposte in letteratura sono molteplici come ad esempio quella di Namekawa et al. "Real-time bloodflow imaging system utilizing auto-correlation techniques”, in Ultrasound’82 Eds LA Lersky, PMorley, Pergamon, New York(1982), Kasai et al. “Realtime two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique”, in IEEE Trans. Sonics Ultrasonic SU-32, 458-464 (1985). The technique used is that of Color Flow which uses correlation algorithms between ultrasonic signals. This technique employs a sequence of pulses for each line of sight by which changes between two successive ultrasound traces are detected. In stationary conditions there are no variations between two ultrasound signals for the same line of sight over time and therefore no signal is detected. In conditions of tissue movement there is a net signal useful for the formation of the Color Flow (CF) image. The techniques proposed in the literature are many, such as that of Namekawa et al. "Real-time bloodflow imaging system utilizing auto-correlation techniques", in Ultrasound'82 Eds LA Lersky, PMorley, Pergamon, New York (1982), Kasai et al. "Realtime two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique", in IEEE Trans. Sonics Ultrasonic SU-32, 458-464 (1985).

Nella realtà, tuttavia, i segnali ecografici sono affetti da un rumore detto “clutter noise” dovuto al movimento fisiologico dei tessuti od a spostamenti della sonda. Tale rumore deve essere rimosso al fine di produrre immagini CF coerenti con i movimenti dei tessuti prodotti dallo sviluppo del calore. In reality, however, the ultrasound signals are affected by a noise called “clutter noise” due to the physiological movement of the tissues or to movements of the probe. This noise must be removed in order to produce CF images consistent with the movements of the tissues produced by the development of heat.

Alcune tecniche per la rimozione del rumore di clutter sono riportate in letteratura ad esempio in P.A.Magnin “A review of Doppler flow mapping techniques,”, in IEEE Ultras. Symp, vol. 2, pp. 969-977, 1987. La maggior parte di esse impiegano un filtro detto wall filter che opera nel dominio Doppler e rimuove le componenti del segnale dal quelle di rumore (clutter noise). Il funzionamento del "wall filter" è schematicamente rappresentato in Fig.2. Some techniques for the removal of clutter noise are reported in the literature, for example in P.A. Magnin “A review of Doppler flow mapping techniques,”, in IEEE Ultras. Symp, vol. 2, pp. 969-977, 1987. Most of them employ a filter called wall filter that operates in the Doppler domain and removes the signal components from the clutter noise. The operation of the "wall filter" is schematically represented in Fig.2.

Il risultato dell’applicazione dell’algoritmo Color Flow al trattamento di termo ablazione laser è riportato in Fig.3. L’immagine riportata in questa figura è ottenuta quando l’apparato di misura è impostato con elevati guadagni di amplificazione (Elevata sensibilità di misura). La scala calda (toni di rosso) rappresenta la mappa di velocità dei punti in avvicinamento alla sonda mentre la mappa fredda (toni di blu) rappresenta la scala di velocità dei punti in allontanamento rispetto alla sonda. Il mosaico di colori che si nota sovrapposto all’immagine B-Mode è il risultato dell’applicazione del CF alla zona soggetta a trattamento di PLA. The result of applying the Color Flow algorithm to the laser thermo ablation treatment is shown in Fig.3. The image shown in this figure is obtained when the measurement apparatus is set with high amplification gains (High measurement sensitivity). The hot scale (shades of red) represents the speed map of the points approaching the probe while the cold map (shades of blue) represents the speed scale of the points moving away from the probe. The mosaic of colors that can be seen superimposed on the B-Mode image is the result of the application of CF to the area subject to PLA treatment.

In questa zona lo sviluppo di calore all’interno dei tessuti dovuto all’assorbimento della radiazione laser da parte degli stessi produce movimento dei tessuti con formazione di microbolle gassose se la temperatura è troppo alta. Le microbolle si diffondono nei tessuti limitrofi. Per questo motivo non c’è una direzione privilegiata di movimento dei tessuti (non si osserva la predominanza del colore rosso o del colore blu), bensì solo una certa agitazione termica che si traduce in una mappa maculata di colori rosso e blu nell’immagine CF. In this area, the development of heat inside the tissues due to the absorption of laser radiation by the same produces movement of the tissues with the formation of gaseous microbubbles if the temperature is too high. Microbubbles spread to neighboring tissues. For this reason there is no privileged direction of movement of the tissues (the predominance of red or blue color is not observed), but only a certain thermal agitation which results in a speckled map of red and blue colors in the image. CF.

L’algoritmo del CF viene rivisto in alcune parti ed adattato al caso dell’ablazione tessutale. Il segnale CF convenzionale viene generalmente impiegato in campo cardiovascolare ed è un segnale proveniente da vasi (un segnale molto basso in ampiezza). L’ecografo elabora questo segnale all’interno di una fascia di ampiezza ben nota ed adattata a quel tipo di applicazione. Invece nel caso della termo ablazione laser i segnali che si sviluppano durante il trattamento (specialmente se in presenza di formazione di gas) sono molto ampi e quindi tutta la catena di ricezione (compresa la parte analogica) deve essere rivista ed adattata a questi nuovi intervalli di segnale. The CF algorithm is revised in some parts and adapted to the case of tissue ablation. The conventional CF signal is generally used in the cardiovascular field and is a signal coming from vessels (a very low signal in amplitude). The ultrasound system processes this signal within a range of well-known amplitude and adapted to that type of application. On the other hand, in the case of laser thermo ablation, the signals that develop during the treatment (especially if in the presence of gas formation) are very large and therefore the whole reception chain (including the analog part) must be reviewed and adapted to these new intervals. signal.

In Fig.4 è riportata una sequenza di immagine ecografiche in modalità CF estratte durante un intero trattamento di PLA. Si notano le zone colorate che indicano agitazione termica dei tessuti con formazione di microbolle di gas. Più in particolare, le immagini si riferiscono a tessuto epatico soggetto a trattamento PLA. Nelle fasi iniziali il segnale Doppler Color Flow indica la formazione di microbolle gassose ed agitazione termica dei tessuti. Quando il segnale Doppler CF cessa significa che il trattamento ha raggiunto la sua fase finale per quella porzione di tessuto. Fig. 4 shows a sequence of ultrasound images in CF mode extracted during an entire PLA treatment. Note the colored areas that indicate thermal agitation of the tissues with the formation of gas microbubbles. More specifically, the images refer to liver tissue subject to PLA treatment. In the initial stages, the Doppler Color Flow signal indicates the formation of gaseous microbubbles and thermal agitation of the tissues. When the Doppler CF signal ceases, it means that the treatment has reached its final stage for that portion of tissue.

Secondo altre forme di realizzazione, il modulo software di monitoraggio dell'andamento del trattamento della coagulazione tissutale utilizza un diverso segnale ecografico, ovvero il segnale Power Doppler. According to other embodiments, the software module for monitoring the progress of the tissue coagulation treatment uses a different ultrasound signal, namely the Power Doppler signal.

Anche il segnale Power Doppler, infatti, contiene informazioni utili al monitoraggio del trattamento di PLA. Nella tecnica Power Doppler l’intensità della scala cromatica sovrapposta all'immagine B-Mode è legata all’ampiezza del segnale Doppler che è lasciato passare dal wall filter indipendentemente dallo shift doppler che possiede. In questa tecnica la velocità aiuta a separare i contributi fra i tessuti fermi e quelli messi in agitazione termica, ma il risultato cromatico è funzione della intensità del segnale e non dalla sua posizione in frequenza doppler. In fact, the Power Doppler signal also contains useful information for monitoring the treatment of PLA. In the Power Doppler technique, the intensity of the chromatic scale superimposed on the B-Mode image is linked to the amplitude of the Doppler signal that is let through by the wall filter regardless of the Doppler shift it possesses. In this technique the speed helps to separate the contributions between the still tissues and those put in thermal agitation, but the chromatic result depends on the intensity of the signal and not on its position in the doppler frequency.

La Fig.5 riporta la rappresentazione del Wall filter in questo caso e la Fig.6 l'immagine B-mode con sovrapposta la mappa cromatica ottenuta dal segnale Power Doppler filtrato con il filtro Wall suddetto. Fig.5 shows the representation of the Wall filter in this case and Fig.6 the B-mode image with the chromatic map obtained from the Power Doppler signal filtered with the aforementioned Wall filter superimposed.

Un terzo algoritmo è stato sviluppato per mettere in evidenza le zone in cui si ha alterazione indotta durante il trattamento. Tale algoritmo è basato su di una tecnica multi impulso e più precisamente sull’elaborazione del segnale ultrasonico RF ed è descritto nel diagramma di flusso di Fig.7. A third algorithm has been developed to highlight the areas in which the alteration is induced during the treatment. This algorithm is based on a multi-pulse technique and more precisely on the processing of the RF ultrasonic signal and is described in the flow chart of Fig.7.

Il modulo di Sottrazione esegue una sottrazione punto per punto sul segnale RF (in generale questa operazione sarà un filtraggio nel tempo). Il modulo di valore assoluto esegue una estrazione di ampiezza (con una operazione di raddrizzamento oppure una operazione di inviluppo). Il modulo successivo esegue uno smoothing spaziale sull’immagine attraverso una operazione di finestratura scorrevole ed infine una sogliatura secondo una soglia di valore opportuno. L’immagine che esce da quest’ultimo modulo è pronta per andare in visualizzazione attraverso una operazione di sovrapposizione con il B-Mode relativo. The Subtraction module performs a point-by-point subtraction on the RF signal (in general this operation will be filtering over time). The absolute value module performs an amplitude extraction (with a straightening operation or an envelope operation). The next module performs a spatial smoothing on the image through a sliding window operation and finally a thresholding according to a threshold of an appropriate value. The image that comes out of this last module is ready to be displayed through an overlay operation with the relative B-Mode.

In Fig.8 sono riportate, nel diagramma superiore, due tracce ecografiche relative alla medesima linea di vista, ma acquisite a distanza temporale di 30 ms. Nel diagramma inferiore di Fig.8 è riportato il segnale differenza per le medesime due tracce ecografiche. Fig. 8 shows, in the upper diagram, two ultrasound traces relating to the same line of sight, but acquired at a temporal distance of 30 ms. The difference signal for the same two ultrasound traces is shown in the lower diagram of Fig. 8.

In una possibile realizzazione l'algoritmo può essere implementato nel seguente modo: considerata una sequenza di frame ecografici provenienti da un'acquisizione temporale durante il trattamento, si esegue la sottrazione di due frame ecografici RF contigui. Il segnale che ne risulta è diverso da zero quando c’è stato un movimento relativo fra i segnali ecografici e un nuovo segnale legato alla differenza di fase viene prodotto in questa condizione. L’algoritmo proposto determina l’eliminazione delle parti di segnale in cui non si è avuto movimento (zone non interessate dal trattamento termico) mentre le parti in movimento relativo (agitazione termica, riscaldamento, formazione di microbolle che perfondono i tessuti) si auto esaltano dando luogo ad un segnale netto. Un parametro di interesse che si può estrarre da questo nuovo segnale è indubbiamente l’ampiezza che fornisce informazioni sull’intensità del fenomeno prodotto. Al fine di estrarre questa informazione si può usare una operazione di valore assoluto oppure di inviluppo. In Fig.9 è schematicamente rappresentato l'algoritmo ora descritto. Coppie di frame ecografici successivi vengono sottratti l'uno all'altro per ottenere, da una sequenza di frame ecografici RF, una sequenza di frame sottrazione. In a possible embodiment, the algorithm can be implemented as follows: considered a sequence of ultrasound frames coming from a temporal acquisition during the treatment, the subtraction of two contiguous RF ultrasound frames is performed. The resulting signal is different from zero when there has been a relative movement between the ultrasound signals and a new signal linked to the phase difference is produced in this condition. The proposed algorithm determines the elimination of the parts of the signal in which there has been no movement (areas not affected by the heat treatment) while the parts in relative movement (thermal agitation, heating, formation of micro-bubbles that perfuse the tissues) are self-enhanced. giving rise to a clear signal. A parameter of interest that can be extracted from this new signal is undoubtedly the amplitude that provides information on the intensity of the phenomenon produced. In order to extract this information, an absolute value or envelope operation can be used. In Fig. 9 the algorithm just described is schematically represented. Subsequent pairs of ultrasound frames are subtracted from each other to obtain, from a sequence of RF ultrasound frames, a sequence of subtracted frames.

In una sua più ampia generalizzazione possono essere considerati anche più di due frame successivi. In tal caso si può pensare di ottimizzare il filtro passa-alto spostando la sua frequenza di taglio a valori più alti (la sottrazione nel caso di due frame successivi altro non è che un filtraggio passa-alto a due coefficienti) in modo che anche i movimenti più lenti dei tessuti (dovuti ad esempio al movimento del battito cardiaco) possano essere reiettati e non producano artefatti sull’immagine finale. Il filtro può essere schematicamente rappresentato come in Fig.10, dove i coefficienti del filtro sono indicati con h0, h1, h2, hkIn a broader generalization, more than two successive frames can also be considered. In this case, one can think of optimizing the high-pass filter by moving its cut-off frequency to higher values (the subtraction in the case of two successive frames is nothing more than a high-pass filtering with two coefficients) so that also the slower movements of the tissues (due for example to the movement of the heartbeat) can be rejected and do not produce artifacts on the final image. The filter can be schematically represented as in Fig. 10, where the filter coefficients are indicated with h0, h1, h2, hk

In Fig.11, relativa ad un trattamento di termoablazione su fegato, è evidente la lesione prodotta dal trattamento nell’immagine B-Mode (sinistra). A destra è riportato il risultato dell’elaborazione con le zone di tessuto soggetto ad alterazione termica ed a formazione di microbolle di vapore. In basso l’immagine finale con la sovrapposizione di un codice cromatico sull'immagine B-Mode. In Fig. 11, relating to a thermoablation treatment on the liver, the lesion produced by the treatment is evident in the B-Mode image (left). On the right is the result of the processing with the areas of fabric subject to thermal alteration and the formation of micro-bubbles of steam. Below the final image with the superimposition of a color code on the B-Mode image.

Oltre ai tre moduli software sopra richiamati, l'apparato può disporre di un quarto modulo software per la valutazione dell’esito effettivo del trattamento. Questo modulo può essere basato, come il primo, su algoritmi del tipo descritto in US2003/0167003 o in US2006/0277998. Questo software esegue elaborazione spettrale del segnale RF e produce delle immagini composite con indicazioni sulla struttura dei tessuti. In questa applicazione può lavorare in due modalità. In addition to the three software modules mentioned above, the device may have a fourth software module for evaluating the actual outcome of the treatment. This module can be based, like the first, on algorithms of the type described in US2003 / 0167003 or in US2006 / 0277998. This software performs spectral processing of the RF signal and produces composite images with indications on the tissue structure. In this application it can work in two modes.

In altre forme di realizzazione, i moduli software possono essere tre. Infatti, l’algoritmo di analisi spettrale del segnale ultrasonico a radio frequenza grazie alle sue capacità di caratterizzare i tessuti può essere impiegato con diversi scopi, prima, durante e dopo il trattamento. Prima, per individuare la patologia e posizionare gli aghi, durante per valutare lo sviluppo della necrosi e la distruzione della patologia e dopo il trattamento per valutare la necrosi effettiva prodotta nelle ore successive al trattamento. In other embodiments, the software modules can be three. In fact, the spectral analysis algorithm of the radio frequency ultrasonic signal, thanks to its ability to characterize tissues, can be used for different purposes, before, during and after treatment. First, to identify the pathology and position the needles, during to evaluate the development of necrosis and the destruction of the pathology and after treatment to evaluate the actual necrosis produced in the hours following the treatment.

La prima modalità consiste nell’individuare il tessuto da trattare prima dell’inizio del trattamento. In questa modalità l’indicazione dell’efficacia del trattamento ablativo viene fornita al medico dalla scomparsa del codice cromatico indicante la patologia da trattare. Questa modalità è particolarmente utile nel caso in cui la patologia sia molto estesa e siano necessari più trattamenti per coprire il volume desiderato (Valutazione per negativo di immagine). In Fig.12 è rappresentato una patologia tiroidea (Gozzo tiroideo) che subisce un trattamento di PLA. Prima dell’inizio del trattamento il software evidenzia il tessuto del Gozzo che si vuol eliminare. Nell'immagine superiore sinistra è rappresentata l'immagine B-mode del tessuto e nell'immagine destra è rappresentata la stessa immagine con sovrapposizione della mappa di colori ottenuta con il software in questione, che evidenzia la presenza del tessuto patologico da eliminare. The first method is to identify the tissue to be treated before starting the treatment. In this mode, the indication of the effectiveness of the ablative treatment is provided to the doctor by the disappearance of the color code indicating the pathology to be treated. This modality is particularly useful in the case in which the pathology is very extensive and more treatments are needed to cover the desired volume (Evaluation by image negative). Fig. 12 shows a thyroid pathology (thyroid goiter) undergoing a treatment of PLA. Before starting the treatment, the software highlights the Goiter tissue to be eliminated. In the upper left image the B-mode image of the tissue is represented and in the right image the same image is represented with overlapping of the color map obtained with the software in question, which highlights the presence of the pathological tissue to be eliminated.

Nell’immagine inferiore di Fig.12, ottenuta dopo il trattamento di ablazione laser, si nota la formazione di pattern ecografici prima assenti e la mancanza del pattern che segnala la struttura anatomica patologica. Questo permette di concludere che l’intera patologia è stata alterata dal trattamento termico. In the lower image of Fig. 12, obtained after laser ablation treatment, we note the formation of previously absent ultrasound patterns and the lack of the pattern that signals the pathological anatomical structure. This allows us to conclude that the entire pathology was altered by the heat treatment.

Lo stesso modulo software può essere impiegato con una diversa selezione dei parametri di elaborazione, opportunamente selezionati per evidenziare il tessuto trattato (disidratazione/coagulazione/necrosi), cioè l’alterazione del tessuto indotta dalla temperatura. In questa modalità il risultato dell’elaborazione è un codice cromatico che segue la denaturazione dei tessuti durante e dopo il trattamento. La Fig.13 riporta l'evoluzione temporale del trattamento di necrosi tramite una sequenza di tre immagini ecografiche B-mode su cui è sovrapposto un codice cromatico indicativo del tessuto coagulato. Questo aumenta con il procedere del trattamento. The same software module can be used with a different selection of processing parameters, appropriately selected to highlight the treated tissue (dehydration / coagulation / necrosis), that is, the alteration of the tissue induced by temperature. In this mode, the result of the processing is a color code that follows the denaturation of the tissues during and after the treatment. Fig. 13 shows the temporal evolution of the necrosis treatment through a sequence of three B-mode ultrasound images on which a chromatic code indicative of the coagulated tissue is superimposed. This increases as the treatment progresses.

Le tre immagini sono relative a tre istanti temporali susseguenti per lo stesso trattamento di termoablazione (in vitro). Il codice cromatico, relativo ad una configurazione di parametri ben precisa dell’algoritmo di analisi spettrale, rappresenta un tessuto alterato dal trattamento (coagulato) in cui è presente anche la formazione di vapore che dà luogo ad un pattern ecografico comunque ben preciso. The three images relate to three successive time instants for the same thermal ablation treatment (in vitro). The color code, relating to a very precise configuration of parameters of the spectral analysis algorithm, represents a tissue altered by the treatment (coagulated) in which there is also the formation of vapor which gives rise to an ultrasound pattern that is however very precise.

Inoltre, lo stesso algoritmo può essere usato (in una differente configurazione di parametri) pochi minuti dopo la fine del trattamento per valutare l’effettiva area di necrosi una volta che i vapori si sono riassorbiti nei tessuti per effetto drenante del microcircolo. (nei trattamenti “in vivo” la capacità dell’organismo di riassorbire le microbolle di vapore prodotte è senza dubbio aumentata facilitandone il monitoraggio) Furthermore, the same algorithm can be used (in a different parameter configuration) a few minutes after the end of the treatment to evaluate the actual area of necrosis once the vapors have been reabsorbed into the tissues due to the draining effect of the microcirculation. (in "in vivo" treatments the body's ability to reabsorb the vapor microbubbles produced is undoubtedly increased, facilitating their monitoring)

Lo stesso algoritmo in una configurazione diversa dei sui parametri può seguire l’andamento della coagulazione dei tessuti nel caso in cui la parzializzazione della potenza o l’impiego di particolari tipi di diffusori ottici evitino la vaporizzazione dei tessuti. The same algorithm in a different configuration of its parameters can follow the trend of tissue coagulation in the event that the partialization of the power or the use of particular types of optical diffusers prevent the vaporization of the tissues.

Claims (11)

Metodo e dispositivo per il trattamento e monitoraggio ecografico tramite ablazione laser percuteanea Rivendicazioni 1. Un apparato di termo-ablazione laser percutanea, comprendente in combinazione: un dispositivo laser con almeno un modulo di erogazione di potenza ed un applicatore; un dispositivo ecografico con almeno un trasduttore ecografico; un monitor; un'interfaccia utente; un'unità di controllo connessa a detta interfaccia, a detto monitor, a detto dispositivo laser ed a detto dispositivo ecografico per sovrapporre ad una immagine ecografica del tessuto in trattamento un'indicazione visiva rappresentativa dell'andamento del processo di termo-ablazione. Method and device for ultrasound treatment and monitoring by percuteal laser ablation Claims 1. A percutaneous laser thermo-ablation apparatus, comprising in combination: a laser device with at least one power delivery module and an applicator; an ultrasound device with at least one ultrasound transducer; a monitor; a user interface; a control unit connected to said interface, to said monitor, to said laser device and to said ultrasound device to superimpose on an ultrasound image of the tissue being treated a visual indication representative of the progress of the thermo-ablation process. 2. Apparato come da rivendicazione 1, in cui detta indicazione visiva comprende una mappa cromatica. 2. Apparatus as per claim 1, wherein said visual indication comprises a chromatic map. 3. Apparato come da rivendicazione 1 o 2, in cui detto dispositivo laser comprende una pluralità di moduli di erogazione laser indipendenti, ciascuno corredato di almeno un applicatore. 3. Apparatus as per claim 1 or 2, wherein said laser device comprises a plurality of independent laser delivery modules, each equipped with at least one applicator. 4. Apparato come da rivendicazione 3, in cui detti applicatori comprendono un sistema di codifica, per distinguere un applicatore dall'altro. 4. Apparatus as per claim 3, wherein said applicators comprise a coding system, to distinguish one applicator from the other. 5. Apparato come da rivendicazione 4, in cui detti applicatori comprendono ciascuno un ago ed in cui detti aghi presentano caratteristiche di ecogenicità differenziata per consentire una individuazione dei singoli aghi tramite il segnale ecografico. 5. Apparatus as per claim 4, in which said applicators each comprise a needle and in which said needles have characteristics of differentiated echogenicity to allow the individual needles to be identified by means of the ultrasound signal. 6. Apparato come da rivendicazione 5, in cui detta unità di controllo è programmata per modificare le condizioni di emissione di ciascun modulo in funzione dell'andamento del processo di termo-ablazione, individuando ciascun singolo applicatore in base alle caratteristiche di ecogenicità differenziata. 6. Apparatus as per claim 5, in which said control unit is programmed to modify the emission conditions of each module according to the progress of the thermo-ablation process, identifying each individual applicator on the basis of the characteristics of differentiated echogenicity. 7. Apparato come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo è programmata per eseguire un algoritmo di monitoraggio dell'andamento del processo di interazione tra energia laser e tessuto. 7. Apparatus according to one or more of the preceding claims, in which said control unit is programmed to execute an algorithm for monitoring the progress of the interaction process between laser energy and tissue. 8. Apparato come da rivendicazione 7, in cui detta unità di controllo è programmata per rilevare attraverso il segnale ecografico un movimento generato nel tessuto in trattamento dal riscaldamento provocato dall'energia laser. 8. Apparatus according to claim 7, wherein said control unit is programmed to detect through the ultrasound signal a movement generated in the tissue being treated by the heating caused by the laser energy. 9. Apparato come da rivendicazione 8, in cui detta unità di controllo è programmata per rilevare attraverso il segnale ecografico la generazione di microbolle e/o microcontrazioni nel tessuto in trattamento. 9. Apparatus as per claim 8, in which said control unit is programmed to detect, through the ultrasound signal, the generation of microbubbles and / or microcontractions in the tissue being treated. 10. Apparato come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo è programmata per eseguire una o più delle seguenti funzioni tramite il segnale acquisito dal dispositivo ecografico: rilevare l'estensione di un tessuto patologico da trattare; rilevare l'andamento del trattamento del tessuto durante l'irradiamento dell'energia laser; segnalare una condizione di eccessivo riscaldamento del tessuto in trattamento; modificare le condizioni di erogazione dell'energia laser in funzione delle condizioni di riscaldamento del tessuto in trattamento; verificare l'estensione della zona trattata. 10. Apparatus according to one or more of the preceding claims, in which said control unit is programmed to perform one or more of the following functions by means of the signal acquired by the ultrasound device: detecting the extent of a pathological tissue to be treated; detect the progress of the tissue treatment during the irradiation of the laser energy; signal a condition of excessive heating of the tissue being treated; modify the conditions of delivery of laser energy according to the heating conditions of the tissue being treated; check the extent of the treated area. 11. Apparato come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo è programmata per monitorare l'andamento dell'interazione tra il tessuto in trattamento e la radiazione laser fornendo una segnalazione di allarme quando nel tessuto viene rilevata una generazione eccessiva di microbolle e/o di microcontrazioni.11. Apparatus according to one or more of the preceding claims, in which said control unit is programmed to monitor the progress of the interaction between the tissue being treated and the laser radiation, providing an alarm signal when an excessive generation is detected in the tissue microbubbles and / or microcontractions.
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