Development of a temperature-based feedback control system for the laser ablation of tumors

In the complex framework of cancer treatment, thermal procedures have been the object of several researches and studies, proving their efficiency with respect to traditional surgical procedures and flanking them to achieve the desired therapeutic outcome. Thermal therapies are nowadays accepted in the clinical practice as minimally invasive approaches for the treatment of several localized malignancies. The main challenges in the thermal treatment of such a disease are related to the total removal of the tumor region preserving the surrounding healthy tissue so that the functionalities of the cured structure are not altered and the organs and tissues involved are not compromised. To achieve this result, different techniques have been used in several studies and in particular, in the field of research of the Laser Optimal Project, the efficiency of a real-time temperature-feedback controlled system for laser ablation is proved using customized Fiber Bragg Gratings (FBG) arrays as temperature sensors. Temperature monitoring is crucial in the ablation of tumors with thermal procedures since it provides information about the thermal state of the tissue during the procedure. The possibility of controlling the tissue temperature increase stands as a powerful instrument in the regulation of this physiological parameter, which is in turn related to the thermal damage dealt to the tissue itself. So far, most of the applications and the commercial devices for laser ablation have delivered laser power without a feedback control on the thermal response of the biological tissues. This lack has often resulted into undesired effects such as over or undertreatment, hence impairing the therapy safety and efficacy. In this framework, my thesis work has aimed at overcoming the state-of-the-art, by designing and developing control strategies for tuning the laser parameters according to the tissue temperature measured during the procedure. The temperature-based feedback control system is based on three main components: a laser system for tissue ablation, a temperature measuring system based on fiber optic sensors and a control logic. The control logic, implemented in LabVIEW, allow to control the parameters of the laser source (current, power, irradiation time) according the specific action required by the user. At first, ON-OFF logic and PID logic based on temperature threshold and current regulation have been implemented. The understanding of specific limitations of the laser ablation procedure has motivated the development of novel control strategies, such as containment of the thermal damage to a restricted area (with one or more sensors) and thermal dose control (according to Cumulative Equivalent Minute at 43°C model, also known as CEM43). The latter bases its control action on the thermal dose delivered to the tissue, thus considering not only the temperature as control parameter but also the procedure duration. These control strategies have been assessed on both experimentally measured data and simulated temperature values. Indeed, the need of testing the performance of the implemented control strategies has boosted the development of a simulation-based platform for generating synthetic tissue temperature data. This platform allowed to test all the control strategies implemented in this thesis work. The experiments have been performed in the laboratory using a diode laser source with a wavelength of 808 nm for tissue irradiation, supported by optical fiber sensors (Fiber Bragg Grating, FBGs) and a Micron Optics si255 optical interrogator to collect the measured temperature data. To the best of our knowledge, FBG array sensors in the temperature control strategies of Laser Ablation treatments in among the innovative aspects of this thesis work. Indeed, these sensors arrays are capable to provide accurate temperature measurements in correspondence of several tissue regions (associated with the number of the gratings built in the fiber array, 25 in our case) with a millimetric spatial resolution. With reference to the software implemented strategies, such as ON-OFF logic and PID, they all showed their good functionalities, strengths and weaknesses which compensate each other, showing that a merging of them represent a powerful control instrument. Regarding the novel control logics, the Zone Control strategy represents a promising approach in such a control system, particularly due to the use of FBG arrays and to their 25 sensing elements which enable the monitoring of several tissue regions simultaneously. The CEM43 strategy provide information about the thermal dose achieved in the medium, but presents some problematics related to the model-inherent delay which doesn’t allow corrective interventions at any time instant. The tools delivered by this thesis are a relevant step forward with respect to the state-of-the-art of the field. The tools build the basis for future research and development in the field of the temperature-based control of laser and thermal therapies, and, more in general, for other engineering fields that require the use of fiber optic sensors for specific applications.

Nella complessa cornice dei trattamenti per il cancro, le procedure termiche sono state oggetto di diversi studi e ricerche che ne hanno dimostrato l’efficienza rispetto alle tradizionali tecniche chirurgiche e nell’affiancamento a queste ultime per ottenere il desiderato esito terapeutico. I trattamenti termici sono al giorno d’oggi accettati nell’ambito clinico in quanto approcci minimamente invasivi per il trattamento di masse localizzate. Le principali sfide nei trattamenti termici sono legate alla rimozione totale del tumore preservando il circostante tessuto sano in modo che le funzionalità della struttura curata non siano alterate e gli organi e i tessuti coinvolti non risultino compromessi. Per ottenere questo risultato, diverse tecniche sono state utilizzate in numerosi studi e in particolare, nell’ambito di ricerca del Progetto Laser Optimal, l’efficienza di un Sistema di controllo in tempo reale retroazionato in temperatura è dimostrata usando degli array di Fiber Bragg Gratings (FBG) come sensori di temperatura realizzati ad hoc. Il monitoraggio della temperatura è cruciale nella rimozione dei tumori tramite procedure termiche dato che fornisce informazioni sullo stato termico del tessuto durante la procedura. La possibilità di controllare la variazione della temperatura del tessuto costituisce un potente strumento nella regolazione di questo parametro fisiologico che, a sua volta, è connesso al danno termico inflitto al tessuto stesso. Fino ad ora, la maggior parte delle applicazioni e dei dispositivi commerciali per l’ablazione laser erogano potenza senza un controllo retroazionato sulla risposta termica del tessuto biologico. Questa mancanza spesso ha portato a effetti indesiderati come trattamenti eccessivi o carenti e portando a compromettere la sicurezza e l’efficacia della terapia. In questa cornice, il mio lavoro di tesi ha avuto lo scopo di superare lo stato dell’arte, progettando e sviluppando delle strategie di controllo per regolare i parametri del laser in relazione alla temperatura del tessuto misurata durante la procedura. Il Sistema di controllo retroazionato in temperatura si basa su tre principali componenti: una sorgente laser per l’ablazione del tessuto, un sistema di misura basato su sensori in fibra ottica e una logica di controllo. La logica di controllo, implementata in LabVIEW, permette di controllare i parametri della sorgente laser (corrente, potenza, tempo di irradiazione) secondo la specifica azione richiesta dall’utente. Inizialmente, una logica ON-OFF e una PID, basate su soglie di temperatura e regolazione di corrente, sono state implementate. La comprensione di specifiche limitazioni delle procedure di ablazione laser, ha spinto allo sviluppo di innovative strategie di controllo, tra cui il contenimento del danno termico ad un’area ristretta (con uno o più sensori) e un controllo sulla dose termica (secondo il modello Cumulative Equivalent Minute at 43 °C, noto anche come CEM43). Quest’ultima basa la sua azione di controllo sulla dose termica erogata al tessuto, considerando quindi non solo la temperatura come parametro di controllo, ma anche la durata della procedura. Le strategie di controllo sviluppate sono state comprovate sia da dati misurati sperimentalmente, sia da dati di temperatura simulati. Infatti, il bisogno di testare l’efficienza delle strategie implementate, ha favorito lo sviluppo di una piattaforma di simulazione per la generazione di dati sintetici di temperatura del tessuto. Questa piattaforma ha permesso di testare tutte le strategie di controllo implementate in questa tesi. Gli esperimenti sono stati effettuati in laboratorio utilizzando una sorgente laser a diodo con una lungezza d’onda di 808 nm per l’irradiazione dei tessuti, supportata da sensori in fibra ottica (Fiber Bragg Gratings, FBGs) e un interrogatore ottico Micron Optics si255 per raccogliere i dati di temperatura misurati. Al meglio della nostra conoscenza, l’uso di array di sensori FBG costituisce uno degli aspetti innovativi di questa tesi. Infatti, questi array di sensori, sono in grado di fornire misure di temperatura accurate in corrispondenza di diverse regioni di tessuto (associate con il numero dei grating all’interno della fibra, 25 in questo caso), con una risoluzione spaziale millimetrica. Con riferimento alle strategie implementate nei software, come la logica ON-OFF e quella PID, tutte hanno dimostrato buone funzionalità e la capacità di migliorarsi a vicenda, dimostrando che un’unione tra esse può fornire un potente strumento di controllo. Per quanto riguarda le logiche di controllo innovative, la strategia di controllo di zona rappresenta un approccio promettente in questo sistema di controllo, in particolare per via dell’uso degli array di FBG e dei loro 25 elementi sensibili che consentono di monitorare diverse regioni di tessuto contemporaneamente. La strategia CEM43 fornisce informazioni riguardo la dose termica raggiunta nel mezzo, ma presenta alcune problematiche relative al ritardo intrinseco del modello che non consente interventi correttivi in qualsiasi istante di tempo. Gli strumenti forniti da questa tesi sono passi in avanti rilevanti rispetto allo stato dell’arte in questo ambito. I prodotti del presente lavoro gettano le basi per ricerca e sviluppo futuri nel campo del controllo in temperatura dei laser e delle terapie termiche e, più in generale, per altri ambiti ingegneristici che richiedono l’uso di sensori in fibra ottica per applicazioni specifiche.