DE1163993B

DE1163993B - Dezimeterwellen-Stielstrahler fuer medizinsche Behandlung

Info

Publication number: DE1163993B
Application number: DEP24672A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Seifert
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1960-03-23
Filing date: 1960-03-23
Publication date: 1964-02-27
Also published as: SE218418C1; CH398821A; GB935666A; US3230957A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: HOSg

Deutsche Kl.: 21 g -24/02

Nummer: 1163 993

Aktenzeichen: P 24672 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 23. März 1960

Auslegetag: 27. Februar 1964

Die Erfindung betrifft einen Dezimeterwellen-Stielstrahler für medizinische Behandlung durch dielektrische Erwärmung, bestehend aus einem A/4-langen Topfkreis mit einem örtlich unterbrochenen, zylindrischen Außenleiter. Die Heilwirkung durch Wärme, die durch lokalisierte Hochfrequenzstrahlung größerer Wellenlänge im Körper erzeugt wird, ist bekannt. Vielfach können die herkömmlichen Verfahren der hochfrequenten Erwärmung bei der Körperbehandlung nicht angewandt werden, weil die bisher bekannten Strahler für medizinische Behandlungszwecke bezüglich ihrer Größe und ihrer Abmessungen für dieses Anwendungsgebiet ungeeignet sind.

Im Dezimetergebiet von 400 bis 500 MHz ist es bereits nicht mehr möglich, mit konzentrierten Bauelementen, wie Spulen und Kondensatoren, zu arbeiten, so daß koaxiale Topfkreise verwendet werden, die in entsprechender Gestaltung die dielektrischen und magnetischen Wechselfelder in den Körper einkoppeln. Die Ankopplung der Topfkreise an den Generator kann beliebig gewählt werden, wesentlich ist nur, daß die Kopplung zum Körper so gut ist, daß ein möglichst großer Teil der zugeführten Hochfrequenz in Wärme umgewandelt wird, wobei anzustreben ist, daß die Energie in einer bestimmten Richtung und Tiefe wirksam wird.

So ist z.B. eine hohlkörperartige, mit einer einseitigen Öffnung versehene Elektrode bekannt, die als Topfkreis für die vorgesehene Frequenz aufgebaut ist, wobei die Enden der inneren Leiterteile die Topfkreiskapazität bilden und angenähert in der Öffnung des Topfkreises liegen. Da die Öffnung sich über die Gesamtlänge der Elektrode erstreckt und einseitig ist, ist diese Elektrode nur für die Bestrahlung äußerer Körperpartien geeignet und läßt sich wegen ihrer Größe nicht in Körperhöhlen einführen.

Es ist weiter eine Elektrode zur Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Wirbelfeldes für die Behandlung von biologischen Geweben bekanntgeworden, die aus einem Topfkreis mit einem örtlich unterbrochenen, zylindrischen Außenleiter besteht. Dabei sind in einem Strombauch des Topfkreises Teile des Außenleiters in der Weise entfernt, daß mindestens ein einziger Steg stehenbleibt, der sich in Richtung des Stromflusses erstreckt. Um diesen Steg im Außenleiter bildet sich ein in das biologische Gewebe eindringendes magnetisches Wirbelfeld. Es handelt sich demnach bei dieser Art von Behandlung um eine induktive Erwärmung, die jedoch z.B. bei der Behandlung von Körperhöhlen auf enge Körperpartien begrenzt ist, da ein genügendes magnetisches Wirbelfeld nur am Strombauch eines Topfkreises Dezimeterwellen-Stielstrahler für medizinsche
Behandlung

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Gerhard Seifert, Hamburg

auftritt und demzufolge die erwähnten Stege nur in einem gegenseitigen Abstand von λ/2 angebracht werden können. Mit dieser bekannten Elektrode ist daher nicht eine etwa gleichmäßige Behandlung ausgedehnter Körperhöhlenpartien möglich.

Eine weitere bekannte Elektrode dient ebenfalls zur dielektrischen Erwärmung eng begrenzter Körperpartien. Das elektrische Feld tritt dabei aus dem zylindrischen Außenleiter einer an ihrem Ende kurzgeschlossenen konzentrischen Leitung durch einen Schlitz von 2 bis 3 mm Breite aus, der über die Hälfte des Leitungsumfanges unmittelbar am Kurzschluß oder etwa im Abstand von 112 angebracht ist. Mit dieser Elektrode ist lediglich eine punktförmige, einseitig gerichtete Behandlung von Körperteilen möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Mangel auf dem Gebiet der Körperhöhlenbehandlung abzuhelfen und einen Stielstrahler zu schaffen, mit dem eine etwa gleichmäßige Behandlung ausgedehnter Körperhöhlenpartien sowohl über die Länge des Strahlers als auch um den Strahler zu ermöglichen. Die besonderen Schwierigkeiten sind darin zu sehen, daß in einem langgestreckten Topfkreisresonator (Koaxialleitungsresonator) die Stromverteilung über die Länge der Leitung nicht gleichmäßig ist, sondern Strombäuche und Stromknoten im Abstand von XIA aufweist. Daher ist nicht ohne weiteres eine gleichmäßige Energieverteilung bei einem Topfkreisresonator zu erwarten, aus dessen zylindrischem Außenleiter das elektrische Feld ringsum über eine Länge von rund einem Viertel der verwendeten Wellenlänge etwa gleichmäßig austreten soll.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, die Energie aus ringsum angebrachten, über die Länge des Außenleiters verteilten Querschlitzen etwa gleichmäßig austreten zu lassen, wenn es gelingt, den im Inneren des Außenleiters fließen-

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den Strom entsprechend einer gewünschten Energieverteilung zu gestalten. Dies ist einerseits durch eine günstige Wahl der Anordnung der Schlitze, andererseits durch einen entsprechend sich über die Länge des Strahlers ändernden Abstand zwischen Innen- und Außenleiter, d. h. durch eine entsprechende Form des Innenleiters möglich. Überraschenderweise hat sich dies bei einem Dezimeterwellen-Stielstrahler bestätigt, dessen strahlende Fläche gemäß der Erfindung durch einen langgestreckten Außenleiter gebildet wird, in den eine Vielzahl quer zu seiner Längsachse verlaufender Schlitze (Querschlitze) über seine Zylinderfläche verteilt angebracht sind, deren Breite und deren Abstände voneinander so gewählt sind, daß das äußere elektrische Feld um den Strahler und seine Spitze etwa gleichmäßig verteilt ist.

Bei dem neuen Strahler ist die größte Energieumsetzung verhältnismäßig dicht am Strahler und geht dann nach den üblichen Ausbreitungsbedingungen zurück. Die Ausbreitung ist rund um den Strahler und im gleichen Verhältnis auch über die Spitze hinaus nach vorn praktisch gleichmäßig, ohne daß der Strahler selbst übermäßig erwärmt wird.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des neuen Strahlers dar. Es zeigt

Fig. 1 einen induktiven Topf kreisstrahier im schematischen Längsschnitt,

F i g. 2 eine Ansicht davon,

Fig. 3 einen kapazitiven Topfkreisstrahler im schematischen Längsschnitt,

Fig. 4 eine Ansicht dazu.

Der Strahler ist letzten Endes ein Topfkreis auf koaxialer Basis, der über Schlitze mit dem zu erwärmenden Medium gekoppelt ist. Wie jeder Kreis enthält auch dieser Strahler sowohl eine Induktivität als auch eine Kapazität. Bei einem induktiv, d. h. im Strombauch erregten Strahler nach Fig. 1 und 2 besteht die Induktivität nicht nur aus der Außenseite des Innenleiters 1 und der Innenseite des Außenleiters 2, die beide über dem Koppelbügel 3 verbunden sind, sondern auch aus dem induktiven Anteil der Schlitze 4 und der über die Schlitze parallel geschalteten Außenseite des Außenleiters 2.

Dazu kommt gegebenenfalls noch der zwischen Koppelbügel 3 und Vorderende 5 des Strahlers liegende Raum. Dieser Raum beeinflußt aber ebenso entsprechend die einerseits zwischen Innen- und Außenleiter liegende Kapazität, die andererseits wieder durch die Kapazität der Schlitze 4 verändert und durch deren Verlustwiderstand bedämpft wird. Wie bei jedem strahlenden Gebilde besitzen die Schlitze 4 erwünschten Strahlungs- und schädlichen Verlustwiderstand. Letzterer ist über an sich bekannte Formeln zur Berechnung der Kamindämpfung b_k bei Lochkopplungen zu erfassen. Dabei ist die Schlitzbreite r nur zur Hälfte anzusetzen. Da b_k etwa 2,4 ·

ist, muß die Schlitzbreite 2 r möglichst groß, die Wandstärke d möglichst gering gewählt werden. Bei einer Wandstärke von 0,5 mm und einer Schlitzbreite von 4 mm beträgt die Kamindämpfung b_k z. B. etwa

2,4 · '₂ = 0,6. Erfahrungsgemäß sind unter 1 liegende Werte nicht mehr störend, d. h., die Kamindämpfung ist dann so klein, daß kein nennenswerter Verluststrom auftritt, der den Strahler erwärmt. Der Strahler soll durch die ausgestrahlte Hochfrequenz Wärme in einem entsprechenden Medium Muskelgewebe, Fettpolster u. ä. erzeugen, zusätzlich auftretende Verlustwärme stört nur, da strahlernahe Körperteile überhitzt werden können. Infolgedessen muß der Strahler selbst kalt bleiben, so daß es auch nicht möglich ist, nach dem Prinzip der durch Schlitze oder Löcher gedämpften Leitung einen Strahler aufzubauen, sondern der Strahler muß immer ein Topfkreis sein, der durch die vorhandene Strahlungsdämpfung allerdings nicht die Güte eines geschlossenen Topfkreises haben kann.

Die Erregung dieses Gebildes kann durch kapazitive oder induktive Ankopplung erfolgen. Die Bezeichnung kapazitav entspricht ihrer Bedeutung, während bei induktiver Ankopplung es nicht unbedingt festzustellen ist, ob die Kreiskapazität nicht auch eine koppelnde Funktion mitübernimmt. Bei Strahlern größeren Durchmessers, z. B. etwa 20 mm Innendurchmesser des Außenleiters 2, hat sich die induktive Kopplung besser bewährt. Infolge der großen Mantelfläche ist die Induktivität relativ groß, es wird also, um die Resonanzfrequenz zu erreichen, eine kleinere Kapazität benötigt, was hinwiederum nicht die notwendige Kopplung ergeben würde.

Danach ist es bei Strahlern geringeren Durchmessers, etwa 10 mm innerhalb des Außenleiters, so, daß infolge der kleineren Induktivitäten, die die kleineren Mantelflächen bilden, eine größere Kapazität benötigt wird. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 und 4 wird bis auf etwa 7 mm in der Mitte des Strahlers der gesamte Hohlraum durch zwei vom Außenleiter 0,5 mm Abstand haltende Messingblöcke 6 und 7 ausgefüllt, wobei der eine, 6, galvanisch am Innenleiter 1 befestigt ist, der dünne Innenleiter dabei aber durch beide hindurchläuft. Die Justierung des Innen- zum Außenleiter wird durch das Isolierstück 5' vorgenommen. Allem Anschein nach ist die durch die innere und äußere Mantelfläche gebildete Kapazität überwiegend Kreiskapazität, die Zwischenräume zwischen den beiden Blöcken einerseits und dem Block 7 und der metallischen Spitze 5 andererseits bilden vorwiegend die Koppelelemente, d. h. durch axiale Verschiebung des Blocks 7 läßt sich der Reflexionsfaktor verschieben, wobei allerdings eine Frequenzverschiebung zu beachten ist. Die Kapazität läßt sich nicht dadurch erhöhen, daß der Abstand zwischen den beiden Flächen der Innen- und Außenleiter sehr klein gemacht wird, dabei würde die Durchlaufdämpfung zu stark anwachsen, so daß der in der Strahlerspitze liegende Raum nicht mehr erregt werden könnte. Die Strahlung der Spitze wird aber dazu gebraucht, um das ganze Feld so zu beeinflussen, daß die Gesamtstrahlung etwa gleichmäßig um den Strahler verteilt wird. Welche Kopplung angewendet wird, ist vom Strahlerdurchmesser abhängig, wobei Schlitzdurchmesser, Strahlerlänge und Schlitzanzahl eine gewisse Rolle bei der Dimensionierung spielen. Bei gutem Abgleich kann ein Reflexionsfaktor von m = 0,95 erreicht werden, der Wirkungsgrad der Anpassung liegt mithin bei 99,5%.

Der induktiv gekoppelte Strahler nach Fig. 1 und 2 ist so aufgebaut, daß der Koppelbügel 3 aus dem Innenleiter 1 besteht, der an seinen Enden kurz vor dem Ende der Schlitze 4 ein an zwei Seiten gefiedertes, an den beiden anderen Seiten ausgeschnittenes Kontaktstück 8 trägt. Die Ausschnitte 9 sind erforderlich, damit der an der Spitze verbleibende Raum mit in die angeregten Kreise einbezogen wird

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und nicht vollkommen abgeschlossen tot liegenbleibt. Unmittelbar vor diesem Kontaktstück wird ein entsprechend langes Stück 10, das die Kapazität gegen den Außenleiter 2 darstellt, auf den Innenleiter 1 aufgesetzt. Der Strahler ist etwa 2/4 lang, der Kapazitätsbelag etwa 2/10 bei einem Innendurchmesser des Außenleiters 2 von i/32. Die Breite der Schlitze 4 ist etwa 4,5 mm bei einem Schlitzabstand von etwa 1,5 mm. Eine Aufnahme der Ortskurve, die unter Belastung mit einem Einschichtenphantom erfolgte, ergab ein Stehwellenverhältnis von η = 0,95 bei der Sollfrequenz.

Die Schlitze erstrecken sich in ihrer Länge bei beiden Ausführungsbeispielen über den halben Umfang des zylindrischen Außenleiters und sind in ihrer Lage um 120° zueinander versetzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Dezimeterwellen-Stielstrahler für medizinische Behandlung durch dielektrische Erwärmung, bestehend aus einem 2/4-langen Topfkreis mit einem örtlich unterbrochenen zylindrischen Außenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß seine strahlende Fläche durch einen langgestreckten Außenleiter gebildet wird, in den eine Vielzahl quer zu seiner Längsachse verlaufender Schlitze (Querschlitze) über seine Zylinderfläche verteilt angebracht sind, deren Breite und deren Abstände voneinander so gewählt sind, daß das äußere elektrische Feld um den Strahler und seine Spitze etwa gleichmäßig verteilt ist.

2. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfkreis induktiv angeregt ist.

3. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfkreis kapazitiv angeregt ist.

4. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze über den halben Umfang des zylindrischen Außenleiters reichen und in ihrer Lage zueinander versetzt sind.

5. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite größer als der gegenseitige Schlitzabstand gewählt ist.

6. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamindämpfung der

Schlitze b_k ^ 2,4 ~ < 1, wobei d die Wandstärke

des zylindrischen Außenleiters und 2r die Breite der Schlitze ist.

7. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des in der Strahlerspitze liegenden Raumes durch den Abstand zwischen der Innenfläche des Außenleiters und der Außenfläche des Innenleiters bestimmt wird.

8. Dezimeterwellen-Stielstrahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem induktiven Koppelbügel (3) und dem vorderen Ende (5) des Strahlers ein die Induktivität und die Kapazität des Strahlers beeinflussender Raum (9) liegt, der mit in die angeregten Kreise des Strahlers einbezogen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 936 281;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 039 148;
österreichische Patentschrift Nr. 265 162.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen