FR2827151A1 - Tissue temperature monitoring procedure and apparatus during laser surgery uses wavelength sampling and analysis - Google Patents
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Abstract
Description
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PROCÉDÉ DE CONTRÔLE DE LA TEMPÉRATURE TISSULAIRE INDUITE
PAR UN LASER CHIRURGICAL
L'invention se rapporte au domaine technique des lasers chirurgicaux. METHOD FOR CONTROLLING THE INDUCED TISSUE TEMPERATURE
BY A SURGICAL LASER
The invention relates to the technical field of surgical lasers.
Il est souhaité depuis longtemps, lors de l'utilisation chirurgicale des lasers, de contrôler l'effet tissulaire induit, fonction de l'élévation de température tissulaire provoquée par le laser. It has long been desired, during the surgical use of lasers, to control the induced tissue effect, which is a function of the increase in tissue temperature caused by the laser.
Les applications chirurgicales des lasers sont à ce jour très variées, et certaines de ces applications illustrent la pertinence d'un contrôle thermique qui, s'il était correctement effectué, permettrait de réduire à la fois les risques traumatiques et la durée des interventions. Surgical applications of lasers are currently very varied, and some of these applications illustrate the relevance of a thermal control which, if correctly carried out, would reduce both traumatic risks and the duration of interventions.
Ainsi par exemple : - la diffusion thermique du faisceau laser lors des actes relevant des pathologies de l'oreille interne, par exemple sur les cholestéatomes, peut entraîner des lésions du nerf facial ; - la diffusion thermique lors d'interventions exploratrices et curatives en gastro-entérologie peut entraîner des lésions sur des membranes voisines de la zone de tir, par exemple sur le colon. Pour éviter de telles lésions, les techniques actuelles sont complexes et impliquent des temps d'interventions élevés, entraînant des délais d'attente des patients, d'autant plus regrettables que certaines des affections à traiter sont à évolution rapide et pronostic sévère. For example: - the thermal diffusion of the laser beam during acts relating to pathologies of the inner ear, for example on cholesteatomas, can lead to lesions of the facial nerve; - thermal diffusion during exploratory and curative interventions in gastroenterology can lead to lesions on membranes close to the firing zone, for example on the colon. To avoid such lesions, current techniques are complex and involve long intervention times, resulting in patient waiting times, which are all the more regrettable since some of the conditions to be treated are rapidly evolving and have a severe prognosis.
Certaines interventions nécessitent un contrôle tout particulier de la diffusion thermique provoquée par les tirs lasers : - la demanderesse a constaté qu'il existe un besoin en chirurgie hépatique pour des instruments contrôlant la diffusion thermique dans les indications de destruction des tumeurs du foie inopérables, en première intention ou après une ou plusieurs cures de chimiothérapie.
Les chirurgiens aimeraient disposer d'une technique sûre, permettant une intervention rapide par voie endoscopique, évitant à des patients déjà faibles des temps opératoires et de convalescence lourds ; - la demanderesse a constaté qu'il existe également un besoin, en neurochirurgie, d'une technique laser permettant de traiter Certain procedures require very specific control of the thermal diffusion caused by laser fire: - the Applicant has noted that there is a need in hepatic surgery for instruments controlling thermal diffusion in the indications of destruction of inoperable liver tumors, in first intention or after one or more courses of chemotherapy.
Surgeons would like to have a safe technique, allowing rapid intervention endoscopically, avoiding already weak patients heavy operating times and convalescence; - the Applicant has noted that there is also a need, in neurosurgery, for a laser technique making it possible to treat
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efficacement des lésions vasculaires ou profondes. En effet, la coagulation au bistouri électrique induit une nécrose tissulaire à chaque passage du courant dans les tissus traités et l'accès aux tumeurs profondes ou intra-vasculaires est peu facilité par les instruments chirurgicaux actuellement disponibles. effectively vascular or deep lesions. In fact, coagulation with an electrosurgical unit induces tissue necrosis with each passage of the current in the treated tissues and access to deep or intravascular tumors is not much facilitated by the surgical instruments currently available.
On connaît déjà, dans l'art antérieur, des lasers chirurgicaux pour lesquels l'effet tissulaire du faisceau laser est quantifié par une température, l'asservissement de la puissance délivrée à la température tissulaire mesurée devant permettre le contrôle de l'effet tissulaire produit. Surgical lasers are already known in the prior art for which the tissue effect of the laser beam is quantified by a temperature, the control of the power delivered to the measured tissue temperature having to allow the control of the tissue effect produced .
La coagulation, l'évaporation et la carbonisation correspondent en effet à des températures précises, pour un tissu donné. Coagulation, evaporation and carbonization indeed correspond to precise temperatures, for a given tissue.
La demande de brevet européen EP-A-O 212 786 décrit ainsi la récupération des longueurs d'onde de l'infrarouge au retour d'une fibre optique pour laser chirurgical, ces infrarouges parvenant à un photodétecteur relié à un comparateur, un seuil de coupure permettant l'arrêt de la source laser lorsque une valeur seuil prédéterminée est atteinte. European patent application EP-AO 212 786 thus describes the recovery of infrared wavelengths on the return of an optical fiber for surgical laser, these infrared reaching a photodetector connected to a comparator, a cutoff threshold allowing stopping the laser source when a predetermined threshold value is reached.
Le brevet américain US-A-4 316 467 décrit un montage électronique permettant d'ajuster la puissance transmise par fibre optique depuis un faisceau laser vers la peau d'un patient, pour le traitement d'angiomes ou autres troubles de pigmentation de l'épiderme. Le dispositif décrit dans le document US-A-4 316 467 comprend une deuxième fibre optique permettant d'envoyer vers un photo-détecteur un signal correspondant aux variations d'absorption de l'énergie lumineuse, entre les zones claires et sombres de l'épiderme. American patent US-A-4 316 467 describes an electronic assembly for adjusting the power transmitted by optical fiber from a laser beam to the skin of a patient, for the treatment of angiomas or other pigmentation disorders of the epidermis. The device described in document US-A-4 316 467 comprises a second optical fiber making it possible to send to a photo-detector a signal corresponding to the variations in absorption of light energy, between the light and dark areas of the epidermis.
Les brevets américains US-A-5 057 099 et US-A-5 334 191 décrivent le contrôle de la puissance laser envoyée dans une fibre optique en fonction du rayonnement infrarouge détecté en retour. American patents US-A-5,057,099 and US-A-5,334,191 describe the control of the laser power sent into an optical fiber as a function of the infrared radiation detected in return.
L'invention vise à fournir un dispositif permettant le contrôle en temps réel de l'effet tissulaire induit par un laser chirurgical à fibre optique, ce dispositif étant compact, d'utilisation sûre et aisée pour différents types de tissus, ce dispositif devant permettre de convaincre un plus grand nombre de The invention aims to provide a device for real-time control of the tissue effect induced by a fiber optic surgical laser, this device being compact, safe and easy to use for different types of tissue, this device having to allow convince more
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chirurgiens spécialistes de passer outre certains préjugés à l'encontre des lasers chirurgicaux. specialist surgeons to overcome certain prejudices against surgical lasers.
A cette fin, l'invention se rapporte, selon un premier aspect, à un procédé de contrôle de la température tissulaire induite par un laser chirurgical, ce procédé comprenant une étape d'échantillonnage d'au moins deux longueurs d'onde issues du tissu en cours de traitement et supérieures à la longueur d'onde émise par le laser et une étape de calcul du rapport entre ces deux longueurs d'onde échantillonnées, la valeur de la température tissulaire étant corrélée aux valeurs de ce rapport. To this end, the invention relates, according to a first aspect, to a method of controlling the tissue temperature induced by a surgical laser, this method comprising a step of sampling at least two wavelengths from the tissue. during treatment and greater than the wavelength emitted by the laser and a step of calculating the ratio between these two sampled wavelengths, the value of the tissue temperature being correlated with the values of this ratio.
Selon une caractéristique, les longueurs d'onde échantillonnées sont prédéterminées dans une gamme de longueurs d'onde comprises entre 1000 et 2500 nanomètres. According to one characteristic, the sampled wavelengths are predetermined in a range of wavelengths between 1000 and 2500 nanometers.
L'invention se rapporte, selon un deuxième aspect, à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que présenté ci-dessus, ce dispositif comprenant un séparateur analyseur apte à séparer le laser thérapeutique et la lumière émise par le tissu en cours de traitement. The invention relates, according to a second aspect, to a device for implementing the method as presented above, this device comprising an analyzer separator capable of separating the therapeutic laser and the light emitted by the tissue being treatment.
Selon une caractéristique, le séparateur analyseur comprend des miroirs mono-raie logés dans une enceinte noire fermée. According to one characteristic, the analyzer separator comprises single-line mirrors housed in a closed black enclosure.
L'invention se rapporte, selon un troisième aspect, à un laser chirurgical comprenant un dispositif tel que présenté ci-dessus, ce laser comprenant une fibre optique conduisant le faisceau laser de traitement des tissus et conduisant en retour le rayonnement tissulaire, dont les longueurs d'ondes à échantillonner. The invention relates, according to a third aspect, to a surgical laser comprising a device as presented above, this laser comprising an optical fiber conducting the laser beam for processing the tissues and conducting in return the tissue radiation, the lengths of which of waves to be sampled.
Selon diverses réalisations, le laser présente les caractères suivants, éventuellement combinés : - un faisceau de visée est transmis par la fibre ; - il est choisi parmi le groupe comprenant les lasers NdNag, les lasers
HolmiumNag, les lasers diodes ; - il comprend une cavité laser diode de type GainAs ;
- il émet sur une longueur d'onde de 960 nanomètres ; - sa puissance est comprise entre environ 1 watt et environ 100 watts, de préférence entre 30 et 100 watts ; According to various embodiments, the laser has the following characters, possibly combined: - an aiming beam is transmitted by the fiber; - it is chosen from the group comprising NdNag lasers, lasers
HolmiumNag, diode lasers; - It includes a GainAs type diode laser cavity;
- it emits on a wavelength of 960 nanometers; - Its power is between approximately 1 watt and approximately 100 watts, preferably between 30 and 100 watts;
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- le diamètre de coeur de fibre est compris entre 200 et 800 micromètres ; - la fibre comprend un coeur en silice revêtu d'une gaine (cladding) en polymère de type HCS, ou un coeur en silice revêtu d'une gaine (cladding) en silice dopée. - the fiber core diameter is between 200 and 800 micrometers; - The fiber comprises a silica core coated with a cladding (HCS type polymer), or a silica core coated with a cladding (doped silica).
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation, description qui va être effectuée en se référant à la figure unique annexée représentant schématiquement un séparateur analyseur mis en oeuvre dans l'invention. Other objects and advantages of the invention will appear during the following description of embodiments, description which will be made with reference to the single appended figure schematically showing an analyzer separator implemented in the invention.
Le schéma optique du séparateur analyseur est donné sur la figure annexée. The optical diagram of the analyzer separator is given in the appended figure.
Ce séparateur analyseur est logé dans une enceinte noir fermée 1. This analyzer separator is housed in a closed black enclosure 1.
Dans cette enceinte 1, une cavité laser 2 émet un faisceau laser thérapeutique 3. In this enclosure 1, a laser cavity 2 emits a therapeutic laser beam 3.
Dans un mode de mise en oeuvre, cette cavité laser est de type diode GainAs émettant sur une longueur d'onde de 960 nanomètres, de puissance maximum de 100 watts. In one embodiment, this laser cavity is of the GainAs diode type emitting on a wavelength of 960 nanometers, with a maximum power of 100 watts.
Pour obtenir cette puissance dans une mise en oeuvre, 50 diodes de 2,5 watts maximum chacune sont utilisées, soit 2 barrettes de 25 ou 3 barrettes de 17 diodes. To obtain this power in an implementation, 50 diodes of 2.5 watts maximum each are used, ie 2 strips of 25 or 3 strips of 17 diodes.
Une puissance maximum de 100 watts ne permettant pas l'utilisation de petits diamètres de fibres, un connecteur 4 permet la limitation de puissance en fonction du diamètre de la fibre. A maximum power of 100 watts does not allow the use of small fiber diameters, a connector 4 allows power limitation depending on the diameter of the fiber.
Ce connecteur assure éga ement une correction de la taille du point
d'injection de la puissance dans la fibre. This connector also ensures a correction of the point size
injecting power into the fiber.
1
Dans un mode de mise en oeuvre, ce connecteur comprend un diaphragme conique doré sous vide sur une épaisseur de 5 micromètres. 1
In one embodiment, this connector comprises a conical diaphragm gilded under vacuum over a thickness of 5 micrometers.
L'utilisation d'un tel connecteur permet l'emploi de fibres de diamètre de coeur compris entre 200 et 800 micromètres, ces fibres comprenant un coeur en silice revêtu d'un cladding en polymère dur (de type HCS) ayant un faible coût mais un indice de transmission moyen. The use of such a connector allows the use of fibers with a core diameter of between 200 and 800 micrometers, these fibers comprising a silica core coated with a hard polymer cladding (of HCS type) having a low cost but an average transmission index.
Dans un autre mode de mise en oeuvre, ces fibres comprennent un coeur en silice revêtu d'une gaine (cladding) en silice dopée présentant un indice de transmission maximum mais un coût important. In another embodiment, these fibers comprise a silica core coated with a cladding of doped silica having a maximum transmission index but a high cost.
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L'alimentation de la cavité laser 2 est de type à découpage. The supply of the laser cavity 2 is of the switching type.
Le refroidissement de la cavité laser 2 est effectué, dans un mode de mise en oeuvre, par des éléments PELTIER. The cooling of the laser cavity 2 is carried out, in one embodiment, by PELTIER elements.
Le nombre d'élément nécessaire sera calculé, par un homme du métier, en fonction de la quantité de chaleur à dissiper. The number of elements required will be calculated by a person skilled in the art, depending on the amount of heat to be dissipated.
Afin de permettre l'utilisation du laser dans de parfaites conditions de sécurité, le séparateur analyseur comprend : - 2 cellules de mesure de puissance 5,6 associées à des miroirs de renvoi
7,8 placés sur le trajet du faisceau laser thérapeutique en sortie de cavité 2 ; - au moins deux cellules de mesure infrarouge 9 associée à des moyens séparateurs tels que miroirs mono-raie aptes à séparer le laser thérapeutique, le faisceau de visée 11 émis par un laser de visée 12, la lumière réfléchie par le tissu en cours de traitement et la lumière infrarouge émise par le tissu. In order to allow the laser to be used in perfect safety conditions, the analyzer separator includes: - 2 power measuring cells 5.6 associated with reflecting mirrors
7.8 placed on the path of the therapeutic laser beam leaving cavity 2; - at least two infrared measuring cells 9 associated with separating means such as single-line mirrors capable of separating the therapeutic laser, the aiming beam 11 emitted by a aiming laser 12, the light reflected by the tissue being treated and infrared light from the fabric.
L'exposition des tissus au laser thérapeutique conduit à émission de lumière infrarouge par le tissu, lumière infrarouge qui est récupérée dans la fibre, transmise dans la cavité 1, filtrée par les miroirs mono-raie 10 et analysée par au moins deux cellules de mesure 9. The exposure of tissues to the therapeutic laser leads to emission of infrared light by the tissue, infrared light which is recovered in the fiber, transmitted in the cavity 1, filtered by the single-line mirrors 10 and analyzed by at least two measurement cells. 9.
Dans un mode de mise en oeuvre, afin d'éviter toute dérive liée à la pollution d'un des filtres, le signal de retour infrarouge est séparé en deux parties, les deux signaux obtenus étant alors comparés, leur valeur moyenne étant validée si les valeurs des deux signaux ne sont pas différents de plus de 5%. In one embodiment, in order to avoid any drift linked to the pollution of one of the filters, the infrared return signal is separated into two parts, the two signals obtained then being compared, their mean value being validated if the values of the two signals are not different by more than 5%.
Cette valeur moyenne est transmise à un microprocesseur pour comparaison avec une valeur étalon sélectionnée par le chirurgien en fonction de l'effet choisi. This average value is transmitted to a microprocessor for comparison with a standard value selected by the surgeon according to the chosen effect.
La demanderesse a en effet constaté que les valeurs de seuil de température correspondant respectivement à la dénaturation, à la coagulation, à l'évaporation et à la carbonisation des tissus ne varient pas sensiblement d'un tissu à l'autre, pour la plupart des tissus concernés par l'emploi chirurgical des laser. The Applicant has in fact found that the temperature threshold values corresponding respectively to the denaturation, to the coagulation, to the evaporation and to the carbonization of the tissues do not vary appreciably from one tissue to another, for most of the tissues affected by the surgical use of lasers.
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Par exemple, la coagulation tissulaire s'effectue entre 620 et 900C. For example, tissue coagulation takes place between 620 and 900C.
Ainsi, la coagulation directe est liée à l'absorption par l'hémoglobine et l'oxyhémoglobine. Thus, direct coagulation is linked to absorption by hemoglobin and oxyhemoglobin.
Pour une longueur d'onde de 960 nanomètres, également absorbée fortement par l'eau, il est ainsi possible de coaguler sans couper, de coaguler et couper, ou de couper sans coaguler. For a wavelength of 960 nanometers, also strongly absorbed by water, it is thus possible to coagulate without cutting, to coagulate and cut, or to cut without coagulating.
Le dispositif selon l'invention permet de contrôler, quasi en temps réel, la température tissulaire dans la zone en cours de traitement par laser, ce contrôle de température, permettant un asservissement de la puissance du laser de traitement de sorte à maintenir une température tissulaire sensiblement constante. The device according to the invention makes it possible to control, almost in real time, the tissue temperature in the zone being treated by laser, this temperature control, allowing the power of the treatment laser to be controlled so as to maintain a tissue temperature substantially constant.
Ainsi, par exemple, une correction de la valeur de puissance délivrée pourra être effectuée afin que la valeur moyenne des signaux infrarouges détectés ne s'écartent pas de plus de 5% de la valeur de référence étalon sélectionnée par le chirurgien en fonction de l'effet choisi. Thus, for example, a correction of the power value delivered may be carried out so that the average value of the detected infrared signals does not deviate by more than 5% from the standard reference value selected by the surgeon according to the chosen effect.
Un tel dispositif permet l'accès au laser à tout type de chirurgien et de chirurgie, puisque les seuils de température critique sont déterminés par avance, permettant ainsi une utilisation en toute sécurité. Such a device allows laser access to any type of surgeon and surgery, since the critical temperature thresholds are determined in advance, thus allowing safe use.
Claims (13)
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