Integrated optics setup for photodynamic therapy

Interstitial photodynamic therapy is a local treatment technique for solid cancer, which relies on the simultaneous presence of light, photosensitizer and oxygen. SpectraCure AB has been developing a light delivery system for prostate cancer therapy. The use of this instrument is meant to be extended to other solid tumor treatments such as cancer in the pancreas or the ear, nose and throat tract. The connection between the eighteen light sources and the patient is based on a mechanical switch that enables the system to alternate between treatment mode and monitoring mode. The aim of the project is the development of an all optical passive circuit aimed at replacing the complex mechanical switch. The core part of this alternative system is the possibility to perform measurements on all the eighteen channels during the treatment times, with clear advantages in terms of robustness of the measurements and positive treatment outcome. This feature has been obtained introducing a frequency encoding of each channel. Briefly, each channel is tagged with a characteristic modulation frequency, therefore distinguishable at each detection point from the other channels and from the treatment light. The latter is filtered out to prevent the photodiode saturation. The effective attenuation coefficient μeff is calculated from the Fourier transform of the signal collected by each channel. The reduction of the fibers core diameter from 400μm to 200μm has been suggested to reduce the costs and the invasiveness of the technique. This aspect has been regarded as plausible according to some tests but it requires further investigation. Satisfying results have been obtained with a test version of the new design, in terms of reliability for the evaluation of μeff , repeatability of the results and costs. In fact, the system has proved to be able to estimate the value of μeff with an error of about 6% and a RSD of less than 4%. As conclusion of the work, a set of specifications has been proposed, to be used in the next generation of IPDT instruments.

La terapia fotodinamica interstiziale (IPDT) è una tecnica di trattamento locale di masse tumorali. La terapia si basa sulla presenza simultanea di luce, farmaco fotosensibile e ossigeno. Spectra-Cure AB ha sviluppato un sistema di somministrazione e dosaggio della luce per il trattamento dell’adenocarcinoma prostatico. L’utilizzo di questo macchinario sarà esteso al trattamento di altri tipi di cancro. La connessione tra le diciotto sorgenti laser e il paziente avviene tramite uno switch meccanico che consente di alternare il trattamento alla misura delle proprietà ottiche della ghiandola. Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo di un circuito passivo ottico per rimpiazzare lo switch meccanico. Il cuore di questo sistema alternativo è la possibilità di usare simultaneamente tutti i diciotto canali del sistema sia per le misure che per il trattamento. Questo approccio ha evidenti vantaggi in termini di robustezza della stima dei parametri ed esito positivo della terapia. Questa caratteristica è ottenuta introducendo un sistema di codificazione dei canali. Ogni canale è etichettato mediante una frequenza di modulazione caratteristica che consente di riconoscere il canale di provenienza del segnale in ogni punto del tessuto e di distinguere la luce di monitoraggio da quella di terapia, la quale è eliminata mediante filtraggio per evitare la saturazione del fotodiodo. Il valore del coefficiente effettivo di attenuazione μeff è ottenuto calcolando la trasformata di Fourier del segnale ad ogni canale. Ho suggerito di ridurre il diametro delle fibre ottiche da 400 μm a 200 μm in modo da ridurre costi e invasività del trattamento. Test indicano che questa scelta è plausibile, andrebbe tuttavia indagata ulteriormente. Con questo design, sono stati ottenuti risultati soddisfacenti in termini di affidabilità della stima di μeff , ripetibilità delle misure e costi. Infatti il sistema ha dimostrato di essere in grado di stimare il valore di μeff con un errore relativo medio del 6% e una RSD media di circa 4%. A conclusione del lavoro, è stata proposta una serie di specifiche che potrà essere utilizzata per la nuova generazione di strumentazione per IPDT.