DE4007587A1

DE4007587A1 - Vorrichtung zur entwicklung einer lokalen hyperthermie im menschlichen koerper

Info

Publication number: DE4007587A1
Application number: DE4007587A
Authority: DE
Inventors: Jurij Sergeevic Kudryavtsev
Original assignee: KUDRYAVTSEV JURIJ S
Current assignee: KUDRYAVTSEV JURIJ S
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-09-12
Also published as: SE9000825L; SE465753B; FR2659018A1; SE9000825D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrich tung zur Entwicklung einer lokalen Hyperthermie im mensch lichen Körper der im Oberbegriff des Patentanspruchs ange gebenen Gattung und kann zur Behandlung von perniziösen Tumoren sowie in der Physiotherapie eingesetzt werden.

Aus den US-A-46 00 018 und GB-A-21 22 092 sind Applikato ren zur Entwicklung einer lokalen Hyperthermie bekannt, die einen einzelnen Mikrowellen-Resonator aufweisen, der auf einer dielektrischen Unterlage angeordnet ist und auf seiner Rückseite einen Schirm trägt. Eine Speiseleitung verbindet den Resonator und den Schirm. Der Mikrowellen schwinger steht mit einer dielektrischen Zwischenlage in Kontakt, deren Rückseite bei der Behandlung dem Patienten zugekehrt ist und durch welche die elektromagnetischen Wellen in den Körper hindurchgehen. Bei diesen Applikato ren kann eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen im Körper auf einen die Resonatorgröße übersteigenden Bereich nicht erreicht werden.

Aus den US-A-45 89 422 und GB-A-21 85 891 sind auch be reits Vorrichtungen bzw. Applikatoren mit einem Mikrowel lenstrahler bekannt, in denen die Strahlungs- und die Schirmelektrode über einen einseitigen Steg miteinander elektrisch verbunden sind. Diese Elektroden sind an ver schiedenen Seiten einer dielektrischen Unterlage angeord net. Am Strahler ist noch eine dem Bestrahlungsort zuge wandte, dielektrische Zwischenlage angeordnet. Auch diese Applikatoren ermöglichen keine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen in Körperbereichen, die größer als die Länge der Strahlungselektrode (des Schwingers) sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Applikator zur Entwicklung einer lokalen Hyperthermie im Patienten zu schaffen, der bei relativ geringen Abmessungen eine gleichmäßige Erwärmung von größeren Körperbereichen ermög licht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung bzw. Applikator mit einem Mikrowellenstrahler, der eine Strahlungselek trode, eine Schirmelektrode, eine dielektrische Unterlage und einen die Elektroden miteinander verbindenden Steg aufweist, an dem eine dielektrische, dem Bestrahlungsort zugewandte durchlässige Zwischenlage und eine Speiselei tung angeordnet sind, über die dem Mikrowellenstrahler die Elektromagnetschwingungen mit der vorausbestimmten Wellen länge zugeführt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlungs- und die Schirmelektrode des Mikrowellenstrahlers rechteckige Gestalt aufweisen und auf der dielektrischen Unterlage derart angeordnet sind, daß ihre Seiten einander paarweise parallel verlaufen, die Stege an einer Seite der Strahlungselektrode in einem 1/4 Wellenlänge der Elektromagnetstrahlung in der dielektri schen Unterlage gleichen Abstand von der gegenüberliegen den Seite der Strahlungselektrode parallel befestigt sind, wobei die Entfernung der den Stegen parallelen und von diesen Stegen in dem Abstand gleich 1/4 Wellenlänge der Elektromagnetstrahlung in der dielektrischen Unterlage fernstehenden Seite der Strahlungselektrode von jeder ihr parallel verlaufenden Seite der Schirmelektrode 0,2 bis 0,6 Wellenlänge der Elektromagnetstrahlung in der dielek trischen Zwischenlage, die Stärke dieser dielektrischen Zwischenlage 0,003 bis 0,03 Wellenlänge der zugegebenen Elektromagnetstrahlung erreicht.

Zweckmäßigerweise sind die Abstände zwischen den zu den Stegen parallelen und von diesen Stegen auf 1/4 Wellen länge der Elektromagnetstrahlung in der dielektrischen Unterlage entfernten Seite der Strahlungselektrode von jeder zu ihr parallelen Seite der Schirmelektrode gleich groß.

Bei einer eventuell im Applikator vorgesehenen, zwischen dem Körper und der dielektrischen Zwischenlage vorgesehe nen Wasserkühlanlage kann der mit dem Wasser gefüllte In nenraum unmittelbar über der Schirmelektrode angeordnet werden und gleiche Abmessungen haben.

Weitere Besonderheiten der Erfindung lassen sich der fol genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die Zeichnung entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Applikator im Querschnitt;

Fig. 2 einen Mikrowellenstrahler in perspektivischer Draufsicht;

Fig. 3 eine andere Ausführung des Mikrowellenstrahlers;

Fig. 4 eine weitere Ausführung des Applikators im Längs schnitt;

Fig. 5 die Wärmeverteilung in einem bestrahlten Körper mit einem Applikator im schematischen Längs schnitt; und

Fig. 6 Kennlinien einer der Ausführungsvarianten des Applikators.

Der dargestellte Applikator zur Entwicklung einer lokalen Hyperthermie enthält einen λ/4-Mikrowellenstrahler 1, der eine dielektrische Unterlage 2, eine auf einer Seite die ser Unterlage 2 angeordnete Strahlungselektrode 3 und eine auf der anderen Seite der Unterlage 2 befestigte Schirm elektrode 4 sowie einen beide Elektroden 3, 4 elektrisch verbindenden Quersteg 5 aufweist.

Eine dielektrische Zwischenlage 6 ist an der dem Bestrah lungsort im Körper 7 zugewandten Seite des Strahlers 1 be festigt. Eine Speiseleitung 8 ist mit einem hohlen Außen leiter 9 und einem Innenleiter 10 an die entsprechenden Elektroden 4 und 3 angeschlossen.

Beide Elektroden 3 und 4 (Fig. 2) sind rechteckig ausge führt und auf der Unterlage 2 derart angeordnet, daß deren zugeordnete Seiten 11 und 11′, 12 und 12′, 13 und 13′, 14 und 14′ einander paarweise parallel verlaufen. Die Strah lungselektrode 3 ist kleiner als die Schirmelektrode 4.

Um ein symmetrisch in der Zwischenlage 6 verteiltes elek trisches Feld zu entwickeln, wird eine elektroleitende Platte 15 (Fig. 3) auf der Unterlage 2 angeordnet, welche in Gestalt und Größe mit der Strahlungselektrode 3 über einstimmt.

Gemäß Fig. 2 sind die elektrisch leitenden Verbindungs stege 5 neben der Außenseite 12 der Strahlungselektrode 3 in einer Reihe angeordnet, wie dies auch Fig. 3 zeigt. Alle Stege 5 sind von der anderen Seite 11 der Strahlungs elektrode 3 in einem λ₂/4-Abstand der Elektromagnetstrah lung in der dielektrischen Unterlage 2 entfernt, wobei λ₂ die Länge der Elektromagnetstrahlung bedeutet.

Die Abstände X₁, X₂ der Seite 11 der Strahlungselektrode 3 von den parallelen Seitenkanten 12′ und 11′ der Schirm elektrode 4 erreichen (0,2-0,6) λ₆ der Wellenlänge der Elektromagnetstrahlung in der dielektrischen Zwischenlage 6. Bei einer kleineren Entfernung als 0,2 λ₆ der Wellen länge nehmen die Abmessungen der Zone einer homogenen Wär meverteilung ab und werden kleiner als bei bekannten mit derselben Frequenz betriebenen Applikatoren mit einer Un terlage 2 aus ähnlichem Werkstoff. Bei einer Entfernung größer als 0,6 λ₆ kann praktisch keine homogene bzw. die Inhomogenität unter 3 dB aufweisende Wärmeabgabe in der Gleichmäßigkeitszone erreicht werden.

In der Praxis erwies es sich als zweckmäßig, wenn der Ab stand X der Seite 12 der Strahlungselektrode 3 von den Seiten 12′, 11′ der Schirmelektrode 4 jeweils gleich groß ist, was auch die Herstellung des Mikrowellenstrahlers vereinfacht.

Die dielektrische Zwischenlage 6 (Fig. 1) beeinflußt eben falls die Entwicklung einer homogenen Wärmeergiebigkeit. Daher soll die Stärke d dieser Zwischenlage 6 etwa 0,003 bis 0,03·λ mit λ als Wellenlänge der dem Mikrowellenstrah ler 1 zugegebenen Elektromagnetstrahlung betragen.

Bei einer Stärke d der Zwischenlage 6 von kleiner als 0,003 λ können keine ausreichend großen Bereiche von homo gener Wärmeverteilung im elektrischen Feld erreicht wer den. Bei einer Stärke d von größer als 0,03·λ und bei den Entfernungen X₁, X₂ der Seite 11 der Strahlungselektrode 3 von den Seiten 11′, 12′ der Schirmelektrode 4 aus dem Be reich zwischen 0,4 λ/√ und 0,6 λ/√, wobei ε die relative Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs der Zwischenlage 6, λ die Wellenlänge der erniedrigten Elektromagnetstrah lung bedeuten, tritt ein Gebiet mit verkleinerter Wärme entwicklung bei einer relativen Wärmeabgabezahl unter 0,5 auf, wodurch eine große Zone mit der homogenen Wärmeergie bigkeit mit der Inhomogenität unter 3 dB erhalten werden kann.

Die Zwischenlage 6 (Fig. 4) bildet einen Teil des Gehäuses 16 des Applikators und ermöglicht die Ausbildung einer Wasserkühlung, wobei ihr Innenraum 17 mit einem Zu- und Abfuhrstutzen 18 und 19 für das Wasser ausgebildet sind. In diesem Innenraum 17 sind Vorsprünge 20 als Abstandshal ter vorgesehen, um bei starken Biegungen des Applikators den freien Durchfluß des Wassers durch den Innenraum 17 zu gewährleisten. Das Applikatorgehäuse 16 weist an der am Körper anliegenden Seite eine Membran 21 auf und besteht aus einem elastischen Werkstoff, beispielsweise aus Gummi.

Der Innenraum 17 liegt unmittelbar über der Schirmelek trode 4 und hat gleiche Abmessungen, was die homogene Wär meentwicklung über die große Länge des Strahlers 1 (Fig. 1) günstig beeinflußt.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch die Form der homogenen Wärmeergiebigkeit bzw. -verteilung im Körper 7 durch den Applikator in schematischer Darstellung. Die Kennlinie 22 gibt das Verhältnis der Intensität der Wärmeentwicklung P in dem anzuwärmenden Körper 7 zu deren Größtwert P_o in Ab hängigkeit von der Koordinate x wieder, die mit der Ver stellung an der Oberfläche des Körpers 7 an den Kraftli nien 23 des elektrischen Feldes im Körper übereinstimmt. Diese Kennlinie 22 veranschaulicht hierbei die Entwicklung einer praktisch homogenen Wärmeergiebigkeit in einer die Länge der Strahlungselektrode 3 übersteigenden Strecke.

Fig. 6 zeigt die experimentell erhaltene Grenze 24 der durch den Applikator entwickelten Zone der homogenen Wär meentwicklung, und zwar mit einem Applikator, dessen Schirmelektrode 4 die Abmessungen 220×300 mm aufweist. Die Kennlinie 22′ zeigt die experimentell erhaltene Ver teilung des Verhältnisses P/P_o, das in der Zone 25 mit den Abmessungen 200×220 mm erreicht worden ist.

Der erfindungsgemäße Applikator zur Entwicklung einer lo kalen Hyperthermie arbeitet wie folgt. Zunächst wird der Applikator mit seiner Membran 21 (Fig. 4 und 5) auf den Bestrahlungsort des Körpers 7 aufgelegt. Dabei befindet sich die dielektrische Zwischenlage 6 zwischen dem Mikro wellenstrahler 1 und der Körperoberfläche. Die Membran 21 soll am Körper 7 dicht anliegen, wodurch eine stabile elektrische Verbindung des Strahlers 1 mit dem Körper 7 entsteht. Das im Innenraum 17 fließende Wasser kühlt die Oberflächenschicht des Körpers 7.

In die Speiseleitung 8 wird eine UHF-Leistung der vorgege benen Frequenz eingespeist. Dabei bilden die Elektroden 3 und 4 mit den Stegen 5 zusammen einen planaren, λ/4-Recht eckresonator, in dem eine UHR-Energie des elektrischen Feldes erregt wird. Die Kraftlinien 26 (Fig. 5) dieses Feldes dringen auf der mit der Schirmelektrode 4 in keiner elektrischen Verbindung stehenden Seite 11 der Strahlungs elektrode 3 durch die Zwischenlage 6 hindurch und erregen eine äquivalente Übertragungslinie des UHR-Feldes, die die Elektrode 3, elektroleitende Platte 15 und der Körper 7 bilden. Als Isolationsglied in dieser äquivalenten Über tragungslinie wirkt die Zwischenlage 6, deren Dielektrizi tätskonstante und Stärke die elektrischen Kenndaten dieser äquivalenten Übertragungslinie, d. h. die Konstanten der Wellenausbreitung und -dämpfung β und α ermitteln.

Die in der äquivalenten Übertragungslinie von der Seite 11 der Strahlungselektrode 3 links und rechts erregten Wellen breiten sich in Richtung der Seite 12 der Strahlungselek trode 3 und der Seite 27 (Fig. 5) der elektroleitenden Platte 15 aus, reflektieren daran und bilden ein Feld von stehenden Wellen in der äquivalenten Übertragungslinie. In diesem Zusammenhang wird die Verteilung der Wärmeergiebig keit P an der äquivalenten Übertragungslinie entlang dem Amplitudenquadrat des in dieser Linie fließenden elektri schen Stroms proportional und ergibt sich aus den Bezie hungen:

worin

x₁, x₂ Entfernung der Seite 12 der Strahlungselektrode 3 von den Seiten 11′ und 12′ der Schirmelektrode 4,
β - eine Wellenausbreitungskonstante in der äquivalenten Übertragungslinie,
α - eine Wellendämpfungskonstante in derselben äquivalen ten Übertragungslinie,
k₁, k₂ maßstäbliche Beiwerte,
x eine laufende Koordinate an der den Kraftlinien 23 des elektrischen Feldes (Fig. 5) parallelen Koordinatenachse entlang,
ch - einen hyperbolischen Kosinus

bedeuten.

Die im Körper 7 fließenden UHR-Ströme, die dem in den Kör pergeweben erregten, elektrischen Feld 23 proportional sind, entwickeln eine lokale Hyperthermie in dem Bestrah lungsort des Körpers 7.

Die Kennlinie 22 zeigt deutlich die Veränderung der Wärme entwicklung entlang der Strahlungselektrode 3. Daraus ist zu ersehen, daß eine ausreichend große Zone 25 der prak tisch homogenen Wärmeergiebigkeit vorhanden ist, die sich über eine die Länge der Strahlungselektrode 3 überstei gende Strecke verbreitet. Somit ermöglichen die gewählten Größenverhältnisse des Mikrowellenstrahlers 1, ohne zusätz liche aufbaumäßige Abänderungen eine homogene, für die lo kale Hyperthermie ausreichende Wärmeausbeute zu entwic keln. Diese Tatsache ist auch auf experimentellem Weg (Fig. 6) bestätigt.

Mit einem erfindungsgemäßen Applikator wurden 24 Hyper thermiebehandlungen in Verbindung mit Gammabestrahlungen bei sechs Kranken mit Sarkomen von 20 cm Größe in Weichge weben durchgeführt. Die Temperatur unter der Geschwulst wurde in der Höhe 42 bis 43°C während einer Stunde auf rechterhalten. Nach dieser Kur ist ein chirurgischer Ein griff bei allen Kranken durchgeführt worden.

Der erfindungsgemäße Applikator gibt die Möglichkeit, innerhalb des menschlichen Körpers eine Zone der räumli chen, homogenen Wärmeabgabe mit deren Ausdehnung an dem elektrischen Feld entlang zu entwickeln, die um das Drei- bis Vierfache diese bei den bisher bekannten Applikatoren mit einzelnen Strahlern übertrifft.

Claims

1. Vorrichtung zur Entwicklung einer lokalen Hyperthermie im menschlichen Körper, bestehend aus einem Mikrowellen strahler (1) mit einer Strahlungselektrode (3), einer Schirmelektrode (4), einer dielektrischen Unterlage (2), an deren einer Seite die Strahlungselektrode (3) und an deren anderer Seite die Schirmelektrode (4) angeordnet sind, und mit zumindest einem die Strahlungselektrode (3) mit der Schirmelektrode verbindenden Steg (5),

- einer dielektrischen durchlässigen Zwischenlage (6),
- die am Mikrowellenstrahler (1) befestigt und dem
- Bestrahlungsort zugewandt ist und einer
- Speiseleitung (8), über welche dem Mikrowellenstrahler (1) die Elektromagnetschwingungen mit vorausbestimmter Wellenlänge zugeführt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselektrode (3) und die Schirmelektrode (4) rechteckig ausgeführt und auf der dielektrischen Un terlage (2) derart angeordnet sind, daß ihre Seiten (11- 14, 11′-14′) einander paarweise parallel verlaufen, daß die Stege (5) an einer Seite (12) der Strahlungselek trode (3) in einem der 1/4 Wellenlänge der Elektromagnet strahlung in der dielektrischen Unterlage (2) gleichen Abstand von der gegenüberliegenden Seite (11) der Strah lungselektrode (3) parallel angeordnet sind, daß die Entfernung der den Stegen (5) parallelen, von dem jeweiligen Steg (5) auf 1/4 Wellenlänge der Elektromagnet strahlung in der dielektrischen Unterlage (2) fernstehen den Seite (11) von jeder ihr parallelen Seite (11′, 12′) der Schirmelektrode (4) 0,2 bis 0,6 Wellenlänge der Elek tromagnetstrahlung in der dielektrischen Zwischenlage (6) erreicht und daß die Stärke der dielektrischen Zwischenlage (6) 0,003 bis 0,03 der Wellenlänge der übertragbaren Elektromagnet strahlung beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungen der den Stegen (45) parallelen, von dem jeweiligen Steg (5) auf 1/4 Wellenlänge der Elektro magnetstrahlung in der dielektrischen Unterlage (2) fern stehenden Seite (11) der Strahlungselektrode (3) von jeder ihr parallelen Seite (11′, 12′) der Schirmelektrode (4) miteinander gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer zwischen dem Kör per (7) und der dielektrischen Zwischenlage (6) angeordne ten Wasserkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Wasser gefüllte Innenraum (17) der Wasserkühlung unmittel bar über der Schirmelektrode (4) angeordnet ist und mit ihr gleiche Abmessungen besitzt.