Integrated Optics Set-up for Photodynamic Therapy

Abstract

Interstitial photodynamic therapy is a local solid cancer treatment technique that 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. This report presents 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. Satisfying results have been obtained with the new design, in terms of reliability for the evaluation of the effective attenuation coefficient, repeatability of the results and costs. A set of specifications has been proposed, to be used in the next generation of IPDT instruments.

Abstract (Swedish)

Cancer är en av de vanligaste dödsorsakerna hos västerlänningar. Prostatacancer i sig utgör den näst vanligaste tumören hos män över hela världen. I två tredjedelar av fallen är prostatacancer inte livshotande. Den sista tredjedelen kan botas fullständigt förutom om metastaserna sprids för långt ifrån körteln till resten av kroppen. Den här formen av tumörer är lämplig för fotodynamisk terapi (PDT).
PDT är en lokal behandlingsmetod som förlitar sig på att ljus och läkemedel är närvarande samtidigt. Läkemedlet, som kallas fotosensibiliserare, är ljuskänsligt och aktiveras genom interaktion med ljus i en specifik våglängd. Ifall denna metod används för cancerbehandling, angriper läkermedlet nästan aldrig tumörcellerna direkt, utan den överför energin till molekylärt syre, vilket skapar syreradikaler. Syreradikalerna, i sin tur, dödar cellerna.
Interstitiell fotodynamisk terapi (IPDT) används för att behandla solida tumörer, såsom prostatacancer. De optiska fibrerna placeras inne i tumörmassan, dit läkemedlet tidigare har levererats, och på så vis kureras cancern utan invasiv kirurgi. Det finns många fördelar med IPDT: den är selektiv på grund av den selektiva upptagningen av fotosensibiliseraren och ljusets lokala administrering, den är minimalt invasiv och joniserande strålningar behövs inte. Därmed kan den användas i alla de fall där klassisk strålbehandling inte längre är applicerbar.
PDT kan kanske komma att vara den primära cancerbehandlingsmetoden tack vare sin selektivitet och effektivitet.

SpectraCure AB har utvecklat ett system för att administrera ljus till prostatacancerbehandling och har påvisats vara effektiv mot tumörer. Detta har påvisats både med ultraljud och genom övervakning av PSA-värden (Prostate Specific Antigen) hos patienterna. Systemet ska användas för behandling av andra solida tumörer inom en snar framtid.

Kopplingen mellan ljuskällorna och patienten grundas i en mekanisk switch som gör det möjlig att växla mellan behandling och övervakning. Den mekaniska switchen är komplex, stor och väldigt dyr; för att inte tala om att den kan råka ut för allvarliga mekaniska problem på grund av sin komplicerade mekanik. Därför är designen av en optisk passiv bana, som syftar till att ersätta den mekaniska switchen, det första och viktigaste steget mot utvecklingen av en ny generation IPDT-instrument.
Kärnan i detta alternativa system är att det möljgör för att genomföra mätningarna och behandlingen genom alla optiska kanalerna samtidigt. Denna funktionalitet har uppnåtts med hjälp av frekvenskodning för varje kanal. Enkelt beskrivet märks varje kanal med en karaktäristisk modulationsfrekvens, så att de kan skiljas både från behandlingsljuset och de andra kanalerna i varje mätpunkt. Fördelen är så klart att mätningarna av ljusets attenuering är robustare. Därmed kan terapin kontrolleras bättre, både med avseende på ljusdosimetri och övervakning av behandlingsprocessen, vilket hjälper till att förbättra behandlingsresultaten.

• author: Pantaleone, Cristina
• supervisor: Stefan Andersson-Engels
• organization: Atomic Physics
• course: PHYM01 20112
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Photodynamic therapy, IPDT, light-matter interaction, optical circuit, prostate cancer, modulation frequency encoding
• publication/series: Lunds Reports in Atomic Physics
• report number: LRAP-459
• language: English
• id: 2542562
• date added to LUP: 2012-11-28 22:33:38
• date last changed: 2012-11-28 22:33:38