CH704177A2 - Gruppenantennenstruktur zur Erzeugung spezifischer elektromagnetischer Feldverteilungen mit integrierten Sonden zur impliziten Korrektur von gegenseitiger Verkopplung und Fehlanpassung. - Google Patents

Abstract

Das vorliegende System für Hochfrequenz-Hyperthermie-Anwendungen setzt sich zusammen aus einer mehrkanaligen Hochfrequenzleistungsquelle (18) und mehreren Elementen zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26). Integriert in die Elemente zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26) sind jeweils Sonden und eine Messeinheit (20) zur Bestimmung der Phase und der Amplitude der Sondensignale. Das Ausgangssignal der Messeinheit (20) wird auf eine Regelungstechnik (27) gegeben, die ihrerseits die Hochfrequenzleistungsquelle (18) so ansteuert, dass durch Überlagerung der einzelnen Felder, die von den Elementen zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26) generiert werden, eine gewünschte Feldverteilung in einem definierten Bereich erzeugt wird.

Description

Hintergrund

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Erzeugung spezifischer elektromagnetischer Felder in spezifischen Regionen im Raum oder zur gesteuerten Bündelung elektromagnetischer Energie in dielektrischen Objekten.

[0002] Die Fähigkeit der Erzeugung spezifischer elektromagnetischer Felder ist eine Kernvoraussetzung bei vielen medizinischen Anwendungen, von bildgebenden Methoden bis hin zu Therapien. Die vorliegende Erfindung findet in beiden vorangehend genannten Disziplinen, sowie bei phasengesteuerten Gruppenantennen-Technologien, die für Kommunikations- und für Messungszwecke genutzt werden, Anwendung.

[0003] Eine Anwendung dieser Erfindung bezieht sich auf die Hyperthermie und besteht aus der Erzeugung spezifischer Feldbedingungen an bestimmten Orten im menschlichen Körper.

[0004] Das National Cancer Institute of the US National Institutes of Health definiert Hyperthermie (auch Wärmetherapie genannt) als eine Art der Krebsbehandlung, bei der Körpergewebe hohen Temperaturen (bis zu 45°C) ausgesetzt werden. Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass hohe Temperaturen Krebszellen schädigen und töten können, dabei normales Gewebe nur minimal schädigen. Durch Abtötung der Zellen und Schädigung der Proteine und anderer Strukturen in den Zellen kann die Hyperthermie zur Verkleinerung der Tumoren führen.

[0005] Wichtig in Bezug auf diese Erfindung sind zum einen die Erzeugung von lokal definierten spezifischen Feldverhältnissen und zum anderen die phasengesteuerte Gruppenantennen-Technologie.

[0006] Es wird hier die lokale Hyperthermie betrachtet, bei der eine kleine Region, wie beispielsweise ein Tumor, erhitz wird. Erhitzung kann mit verschiedenen Techniken der Energiezufuhr erreicht werden. Im Rahmen dieser Patentanmeldung werden entweder Mikrowellen oder Hochfrequenzen zur Wärmeerzeugung eingesetzt. Abhängig von der Lage des Tumors gibt es verschiedene Ansätze zum Einsatz der lokalen Hyperthermie. Hier geht es um einen externen Ansatz zur Tumorbehandlung. Die Energie wird durch einen Applikator zugeführt. Der Applikator besteht aus einer Anzahl von Elementen, die um oder in der Nähe der betroffenen Region positioniert sind. Mit Hilfe der phasengesteuerten Gruppenstrahler Technik wird die Energie auf den Tumor fokussiert und dessen Temperatur zielgerichtet erhöht.

[0007] Hyperthermie wird häufig in Kombination mit anderen Therapien wie Strahlen-und/oder Chemotherapie angewendet. Die Hyperthermie wurde als Teil der Therapie vieler Krebstypen einschliesslich Sarkomen, Melanomen sowie Kopf-Hals-Tumoren, Hirntumoren und Lungen-, Ösophagus-, Brust-, Blasen-, Enddarm-, Leber-, Appendix-, Gebärmutterhals- und Bauchfellkrebs durchgeführt.

[0008] Eine phasengesteuerte Gruppenantenne ist eine Antenne, die aus einer Anzahl (kleinerer) strahlender Elemente mit jeweils eigenem Einspeisepunkt besteht. Phasengesteuerte Gruppenantennen sind elektrisch steuerbar, was bedeutet, dass die Antenne stationär sein kann aber man die Abstrahlcharakteristik durch Justierung der Amplitudengewichtung und Phasen eines jeden Elementes verändern kann, sodass eine bestimmte Region fokussiert oder ein Objekt im Raum lokalisiert werden kann. Phasengesteuerte Gruppenantennen können auch verwendet werden, um spezifische Feldverhältnisse an einem bestimmtem Punkt im Raum zu erzeugen, um hochfrequente Energie in dielektrischen Objekten zu bündeln und dadurch die Temperatur in der Zielregion im Objekt oder im Patienten zu erhöhen oder um Felder und Ströme in einem Patienten zu induzieren und dadurch Atome, Nerven oder andere zelluläre Strukturen anzuregen.

[0009] Eine phasengesteuerte Gruppenantenne kann zur Hyperthermie eingesetzt werden indem hochfrequente Energie in einem Patienten gebündelt und so die lokale Temperatur erhöht wird. Wenn eine phasengesteuerte Gruppenantenne für eine solche Anwendung eingesetzt wird, nennt man sie Applikator, da sie Energie im Patienten appliziert. Die phasengesteuerte Gruppenantenne bzw. die Applikator-Elemente werden durch eine mehrkanaligen Hochfrequenz- oder Mikrowellenleistungsquelle gespeist, bei der die Phasen und Amplitudensignale steuerbar sind, sodass die Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie auf die Zielregion oder den Tumor gerichtet werden kann. Die Anzahl der Antennenelemente / der Gruppenelemente und die Anordnung dieser Elemente bezogen auf die Zielregion sind entscheidend für die Qualität der Fokussierung die erreicht werden kann.

[0010] Das Beispiel der Hochfrequenz-Wärmetherapie (Hyperthermie) soll die Vorteile der Erfindung illustrieren. Obwohl in der Vergangenheit viele Systeme zur Hyperthermie-Behandlung von Tumoren, allein oder in Kombination mit anderen Therapien, vorgeschlagen und angewendet wurden, liess die Verlässlichkeit und Qualität der Behandlung oftmals zu wünschen übrig. Von entscheidender Bedeutung in der lokalen Hyperthermie ist die Applikation oder die Fokussierung der Energie vom Applikator in die Zielregion, in das Gewebe oder in den Tumor. Um gute Behandlungserfolge zu erzielen muss die gesamte Region ausreichend erhitzt werden und entscheidend dafür ist ein guter Applikator elektromagnetischer Felder und Patienten-Modelle um die Behandlung zu planen und zu optimieren. Dieser Schritt der akkuraten Prognostizierung der Energiezufuhr (und damit Temperaturerhöhung) und der Optimierung dieser Zufuhr zur bestmöglichen Tumorbehandlung, fehlte leider in vielen Hyperthermiesystemen und beeinträchtigte die Erfolge. Während der Behandlung selbst wird hochfrequente oder Mikrowellenleistung mit den korrekten Anregungsamplituden und -phasen entsprechend des Behandlungsplanes in die Hyperthermie-Gruppenantenne eingespeist. Von der Qualitätssicherung her gesehen ist es essentiell, die elektromagnetischen Felder, die von den einzelnen Elementen erzeugt werden, zu überwachen, um zu ermitteln, ob die geplante Behandlung tatsächlich korrekt appliziert wurde.

[0011] Alle phasengesteuerten Gruppenantennen oder Hyperthermie-Applikatoren benötigen eine mehrkanalige Quelle, die leistungsstarke Signale, die in die einzelnen elektromagnetische Felder erzeugenden Elemente eingespeist werden, mit akkurat kontrollierbaren Amplituden und Phasen erzeugen kann. Im Rahmen dieser Erfindung ist es unwesentlich, mit welcher Methode diese Signale erzeugt werden.

[0012] Bei Multi-Element oder phasengesteuerte Applikatoren werden meistens Gruppenantennenelemente um den Patienten angeordnet. Um die Oberfläche zu kühlen und die Rückwirkungen durch die Gegenwart des Patienten zu reduzieren wird der Raum zwischen dem Patienten und der Gruppenantennenstruktur mit einem Wasserbolus gefüllt. Die US-Patente 4 672 980, 5 251 645 und 5 441 532 zeigen alle typische phasengesteuerte Applikatoren. In allen Beispielen bilden die Elemente eine kreisförmige Gruppenantennenstruktur um den Patienten und die einzelnen Antennenelemente (oder die Elementpaare in US-Patent 4 672 980) werden von einer amplituden- und phasengesteuerten Hochfrequenzleistungsquelle angeregt. Keines dieser Systeme misst das tatsächlich eingeprägte Signal noch die reflektierte Leistung, weshalb die effektiv abgestrahlte Leistung reduziert ist. Diese Faktoren erhöhen deshalb die Unsicherheit. In US-Patent 5 251 645 und 5 441 532 werden in und um den Patienten Feldsonden angeordnet um an diesen Orten das gesamthafte Feld zu messen. Es wird der Anspruch erhoben, dass die von diesen Feldsonden gemessenen Werte benutzt werden können um die Anregung der Gruppenantennenstruktur zu kontrollieren und die Energie genau auf die Zielregion zu richten. Der in US- Patent 4 672 980 beschriebene Ansatz unterscheidet sich von den anderen indem temperaturmessende Katheter in den Patient eingefügt werden und das System so kontrolliert, dass die Temperaturerhöhung in der Zielregion maximiert wird. Der Nachteil mit beiden Ansätzen ist dass der menschliche Körper höchst inhomogen ist und es keinen intuitiven Zusammenhang zwischen der Anregung der Gruppenantennenstruktur und dem Energiedepositionsmuster gibt. Im Grunde nehmen diese Ansätze an, dass das Wissen über das Feld oder die Temperatur an ein paar wenigen Punkten als Ersatz zur Kenntnis der genauen Abstrahlungscharakteristik der einzelnen Elemente genügt.

[0013] In der Literatur beschreiben Paulides et al. 2007 ein typisches System, in dem die reflektierte Leistung und sowohl die Amplitude wie die Phase des Signals, die in jedem Applikator Element eingespeist werden, gemessen werden. Diese Messungen erlauben es, die Kontrollwerte anzupassen damit die applizierten Signale trotz Reflektionen den Erwartungen entsprechen. Sofern dieses System mit einer passenden Behandlungsplanung verwendet wird, ist zu erwarten, dass es befriedigende Leistungen zeigt. Jedoch hängt das System von einem rechnergestützten Simulationsmodel ab, dass das eigentliche Gerät und den Patient genauestens widerspiegelt. Es gibt dabei keine Möglichkeit, Veränderungen in der Lage des Patienten in Bezug auf den Applikator und dessen Einfluss auf den Scheinwiderstand der Elemente und auf die gegenseitige Kopplung in der Elementanregung vollkommen zu berücksichtigen.

[0014] Im Zusammenhang mit der Anwendung von phasengesteuerte Gruppenantennen für andere Zwecke braucht US-Patent 5 867 123 eine Technik wo einzelne Elemente angeregt werden und das Signal, das von angrenzenden Elementen empfangen wird, für integriertes Testen sowie Fehleranalysen benutzt wird. Fulton und Chappell, 2009, fassen verschiedene Kalibriermethoden für phasengesteuerte Gruppenantennen zusammen und behaupten, dass Gruppenantennen in einer schalltoten Umgebung kalibriert werden müssen, damit die Kopplungsmatrix bestimmt werden kann und die Ausgleichung der gegenseitigen Kopplung in der Gruppenantenne ermöglicht wird. Zusätzlich wird auch erwähnt, dass interne elektronische Hardware eingefügt werden kann, um Abweichungen von der ursprünglich kalibrierten Kopplung oder vom ursprünglich ermittelten Gewinn in der Übertragungskette zu überwachen und Korrekturen zu ermöglichen. Lee et al., 1992/3 haben eine Übertragungsleitung (Mikrostreifenleiter), die mit jedem Element verkoppelt ist, in die Antennengrundplatte eingefügt, und können damit die Sende- und Empfangsfunktionen der Elektronik testen. Die Übertragungsleitung empfängt die Energie jedoch immer von allen Elementen oder speist Energie in allen Elementen der Gruppenantenne gleichzeitig ein.

[0015] Aufgrund der Erfahrung mit der Hochfrequenz-Hyperthermie-Behandlung, mit der Behandlungsplanung und mit den Unzulänglichkeiten der zuvor beschriebenen Systeme wurden wichtige Entwicklungen bezüglich der Geräte und Kontrollsysteme gemacht. Diese Entwicklungen tragen wesentlich dazu bei die Verlässlichkeit und Stimmigkeit durch eine genau kontrollierte Erzeugung der Feldverteilungen zu erhöhen. Die vorhandene Erfindung erhöht die Verlässlichkeit durch eine genau kontrollierte Erzeugung der Feldverteilungen von jedem Element der Gruppenantennenstruktur selbst in der Anwesenheit von gegenseitiger Kopplung, Fehlanpassungen und Rückwirkungen. Dies wiederum reduziert die Unsicherheit. Zusätzlich ermöglicht diese Erfindung, die Kopplungsmatrix genauer zu bestimmen als wenn Scheinwiederstand- oder Streumatrixmessungen verwendet werden. Dies wiederum ermöglicht eine Art Selbstkalibrierung, die für jeden behandelten Patient durchgeführt werden kann. Der Schlüssel um genau die im Behandlungsplan angegebene Erzeugung der Feldverteilungen zu erreichen besteht aus der Benutzung von in den Antennenelementen integrierten Sonden, die die Phase und die Amplitude des Stromes, das durch ein metallisches Element fliest, oder des Feldes, in einem schlitz-basiertem Element, messen. In der Abwesenheit von gegenseitiger Kopplung und Rückwirkungen sind die von diesen Sonden erhaltene Messungen proportional zu der Anregung. Fehlanpassungen oder Phasenunterschiede in Anschlussleitungen brauchen jedoch nicht berücksichtigt zu werden, da es der tatsächliche Strom (oder das tatsächliche Feld) in der Antenne ist, der gemessen wird. In der Anwesenheit von gegenseitiger Kopplung und von Rückwirkungen messen die Sonden die Summe aller Anregungen, unabhängig von ihrer Herkunft, und ermöglichen es das tatsächlich abgestrahlte Feld zu messen. Die Anregung von jedem einzelnen Element nacheinander und die Messung des Stromes (des Feldes) in der angeregten Antenne und der gekoppelten Anregungen aller anderen Antennen erlaubt es, die Kopplungsmatrix der Gruppenantennenstruktur direkt zu bestimmen.

[0016] Das oberhalb beschriebene US-Patent 5 867 123 regt auch jedes Element nacheinander an aber nicht für Selbstkalibrierungszwecke. Auch im Falle einer Selbstkalibrierung würde die Fehlanpassung zwischen den Elementen die Unsicherheit nur erhöhen. Lee et al., 1992/3 fügen eine Übertragungsleitung in die Antennengrundplatte hinzu. Diese erlaubt jedoch nicht, jedes Antennenelement einzeln zu messen und die Autoren diskutieren weder einen Grund noch eine Methode um die durch direkte Anregung oder gegenseitig gekoppelte Anregung erzeugten Antennenströme (oder Felder) zu messen. Dieses System dient also eher der Diagnose als der kontrollierten Erzeugung der Feldverteilungen.

[0017] Die vorhandene Erfindung besteht aus einer Anordnung von elektromagnetische Felder erzeugenden Elemente und fügt jedem Element eine Sonde für die Messung der Amplitude und Phase, in Form eines metallischen Elements (Antenne oder Spule zur Messung des Strome) oder eines schlitz-basierten Elements (zur Messung des Feldes), hinzu. Jede Sonde ist mit einem Gerät zur Messung der Phase und der Amplitude des elektrischen Signals verbunden. Zusätzlich, da das Signal, das von jeder Sonde aufgenommen wird, direkt proportional zu der Phase und der Amplitude des Stromes oder Feldes im felderzeugenden Element ist, wobei der Strom oder das Feld der gesamte Strom oder das gesamte Feld dessen Amplitude und Phase die Summe von der eingespeisten (durch die Hochfrequenzleistungsquelle) und der durch gegenseitiger Kopplung und Fehlanpassung erzeugten sekundären Anregungen ist, ist der gemessene Wert die ideale Anregung in der Abwesenheit von Kopplung und Fehlanpassung. Diese Erfindung benutzt dann die in der Antenne eingebetteten Sonden um weitere Funktionalität hinzuzufügen. Zum Beispiel kann die direkte Anregung von jedem Element der Gruppenantennenstruktur durch eine mehrkanalige Hochfrequenz- oder Mikrowellenleistungsquelle, mit individuell steuerbarer Amplitude und Phase, mit einem rückgeführten Regelkreis so geändert werden, dass die gesamthaft in der integrierten Sonde gemessene Anregung (Strom im metallischen bzw. Feld im schlitz-basierten Element) der idealen Anregung ohne Verkopplung und Fehlanpassung entspricht und somit durch Überlagerung der durch jedes felderzeugende Element produzierten elektromagnetischen Felder eine spezifische Verteilung der Felder in einem definiertem Volumen oder einer definierten Region erreicht. Das wiederum erlaubt es die gegenseitige Verkopplung und die Fehlanpassung zu korrigieren, ohne explizites Wissen der gegenseitigen Kopplung und der Fehlanpassung, bezeichnet mit dem Begriff der Kopplungsmatrix, zu haben, und ohne auf dieser basierende Berechnungen durchführen zu müssen, und somit Änderungen in der Kopplungsmatrix, die von der Gegenwart oder der Änderung von Objekten erzeugt werden, von Natur aus berücksichtigt werden. Zusätzlich kann die Erfindung, bei aufeinanderfolgender Anregung jedes einzelnen Elements, die genaue gegenseitige Kopplungsmatrix der Gruppenantennenstruktur direkt bestimmen, sogar wenn es Schwankungen des Quellenscheinwiderstands gibt oder wenn die Kabellänge Undefiniert ist. Diese Eigenschaft kann für die Bestimmung der Anfangsanregungen der Anordnung der elektromagnetische Felder erzeugenden Elemente hilfreich sein indem es erlaubt, dass die rückgekoppelte Regelung schneller die vordefinierte ideale Anregung der Gruppenantennenstruktur erreicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0018] <tb>Abb. 1:<sep>bildliche Darstellung von zwei nebeneinanderliegenden Gruppenstruktur-Elementen (Schlitzantenne mit dahinterliegender Kavität), wobei dies nur eine mögliche Ausführung des Aufbaus der Erfindung zeigt. <tb>Abb. 1a:<sep>zwei nebeneinanderliegenden Gruppenstrukturelemente (Schlitzantenne mit dahinterliegender Kavität). Die Kavitätsabschirmung eines der Elemente wurde ausgeschnitten. <tb>Abb. 2:<sep>bildliche Darstellung der gesamten phasengesteuerten Hochfrequenz-Hyperthermie-Applikator Gruppenstruktur. Einzelheiten des kleinen Sonden-Elements sind nicht dargestellt. <tb>Abb. 3:<sep>Mehrkanalige Hochfrequenzleistungsquelle. <tb>Abb. 4:<sep>Einzelkanal einer Messeinheit. <tb>Abb. 5:<sep>Gesamtes System mit Phasen- und Amplituden gesteuerten mehrkanaligen Sender und den Phasen- und Amplitudendetektoren, welche durch einen Messdatenbus mit der Mess- und Rechnersteuerung verbunden sind. <tb>Abb. 6:<sep>Gruppenstruktur für die Hochfrequenz-Wärmebehandlung bei der der Wasserbolus zwischen den Gruppenelementen und dem Patienten sitzt, um die Rückwirkungen zu reduzieren und eine Oberflächenkühlung zu ermöglichen.

Technische Beschreibung mit Referenz zu den Zeichnungen

[0019] Die Erfindung betrifft ein System bestehend aus fünf integralen Bestandteilen; die Neuheit bezieht sich auf neuartige Eigenschaften einiger Teile und auf die Integration und die Verwendung von ihnen als Ganzes. Der erste integrale Teil sind die elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente (Abb. 1) die in einer Gruppe beliebiger Geometrie (Abbildung 2) angeordnet sind. Die Gruppe der Elemente ist mit einer Hochfrequenzleistungsquelle (Abbildung 3) verbunden die • eine Anzahl unabhängiger Kanäle mit rechnersteuerbareren Phasen und Amplituden besitzt. Integriert in jedem elektromagnetische-Felder-erzeugenden Element ist ein Strom- (oder Feld-) messendes Element, welches ein elektrisches Signal proportional zu dem erzeugten elektromagnetischen Feld aussendet; jedes Sondensignal wird durch eine Messeinheit, die Amplitude und Phase erfassen kann, gemessen (Abbildung 4). Die Messdaten werden über einen Messdatenbus zu einer Messkontroll-Einheit übertragen. Ein Kontrollrechner verwendet die Messdaten um die Hochfrequenzleistungsquelle derart zu steuern, dass die erzeugten elektromagnetischen Felder den erforderten Feldern entsprechen. Das ganze System und die Verbindungen sind in Abbildung 5 gezeigt.

[0020] Eine anschauliche Anwendung der Einfindung ist ein phasengesteuertes Applikator System (Abbildung 5) das spezifische Feldverhältnisse an einer bestimmten Stelle im Raum erzeugen, oder hochfrequente Energie in einem dielektrischen Objekt bündeln kann. Die direkte Messung der Ströme oder Felder in metallischen, Schlitz- oder Spulenelementen (26) erlaubt die direkte Quantifizierung der abgestrahlten oder reaktiven Felder der elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente. Insbesondere ermöglicht die Erfindung Störungen der erzeugten elektromagnetischen Felder durch gegenseitige Verkopplung oder Fehlanpassung der Applikator Gruppenantenne (19) implizit zu korrigieren ohne die Kopplungsmatrix explizit gemessen zu haben und eine Korrektur der Anregung auf die Hochfrequenzquelle (18) anzuwenden. Die direkte Beziehung zwischen dem Strom in einem metallischen Element (oder dem Feld in einem schlitz-basierten Element) und den elektrischen Ausgängen der Element-Sonden (4) sowie dem abgestrahlten oder reaktiven Feld kann experimentell oder numerisch bestimmt werden.

[0021] Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Mittel zur Bestimmung der tatsächlich abgestrahlten Felder oder reaktiven Nahfelder für jedes Element (26, Abb. 1) in einer Anordnung von elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elementen (19) für Hochfrequenz-Hyperthermie Anwendungen (Abbildungen 2 und 6) zur Verfügung zu stellen, bei der die Belastung aufgrund des Patienten, dielektrischer Objekte oder anderer Systemkomponenten die Kopplung zwischen den Elementen sowie die Anpassung am Eingang (3) der Elemente (26) verändert, oder bei der der Quellenscheinwiderstand der Kanäle der Hochfrequenzquelle (11) nicht ausreichend charakterisiert sind.

[0022] Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein höheres Mass an Zuverlässigkeit zu erreichen, so dass die tatsächliche Anregung der Gruppenelemente durch die mehrkanalige Hochfrequenzleistungsquelle (18) der vorgesehenen Anregung entspricht, was eine bessere Qualitätskontrolle der durch die elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente der Gruppenanordnung (19) erzeugten Feldverteilungen gewährleistet. Um dies zu erreichen wird das erzeugte elektromagnetische Feld mit Hilfe einer Messeinheit, wie ein Vektorvoltmeter oder einen In-Phase/Quadratur Demodulator mit ausreichender Sensitivität, gemessen (Abbildung 4). Wie in Abbildung 4 gezeigt, können zusätzliche Schaltungen dazu genutzt werden, um eine Selbstkalibrierung der Amplituden- und Phasendetektoren zu ermöglichen. Dies geschieht nicht nur durch die Verteilung des Lokaloszillatorsignals über einen Bus sondern auch über die Verteilung eines Phasenreferenzsignals, das auf die Eingänge geschälten werden kann um eine Kalibration durchzuführen sowie um Phasenlagenmehrdeutigkeiten aufzulösen, was wiederrum die Systemunsicherheiten weiter reduziert.

[0023] Zusätzlich stellt die Erfindung ein neues Paradigma, für die Korrektur von gegenseitiger Verkopplung in einer Gruppenelementantennenstruktur durch implizite Messung der erzeugten elektromagnetischen Felder unter Einbezug der gegenseitigen Verkopplung und Fehlanpassung, dar. Die tatsächliche und die vorgesehene Anregung haben daher eine geringe Abweichung, selbst bei Anwesenheit von Variationen, die während der Behandlungsplanung nicht modelliert werden konnten.

[0024] Desweitern schränkt die Erfindung nicht die Geometrie oder die Platzierung der Applikator-Gruppen-Elemente (26, Abb. 2) auf das Gebiet um oder nahe der Zielregion ein, und kann für jegliche Gruppen elektromagnetische Felder erzeugenden Elemente (19) angewendet werden. Im Speziellen gibt es keine Einschränkungen auf in der Nähe befindliche dielektrische Objekte wie den Patient oder andere Objekte welche die gegenseitige Verkopplung und die Anpassung der Elemente verändern.

[0025] Obwohl die integrierten Strom- und Feldsonden (4, Abb. 1) die implizit Fehlanpassung und gegenseitige Verkopplung berücksichtigen, ermöglicht die Erfindung die direkte Bestimmung der Kopplungsmatrix (welche die Fehlanpassung und die gegenseitige Verkopplung beschreibt) der elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente der Gruppenstruktur des Applikators mit grösserer Genauigkeit als mit der auf S-Parametern basierenden Standard-Methode zur Berechnung der Kopplungsmatrix. Ausserdem bietet sie den Vorteil, dass die Gruppenstruktur des Applikators (19) nicht von der Hochfrequenzquelle (18, Abbildung 5), abgekoppelt und an einen Netzwerkanalysator angeschlossen werden muss. Durch Anregung jedes der Elemente (2) durch die Hochfrequenzquelle und Messung der Ströme (oder Felder) (4) in allen Elementen (2) mit der Messeinheit (20), kann die Kopplungsmatrix akkurater bestimmt werden, da die nicht-idealen Ausgangsscheinwiederstände von jedem Verstärker (10) und die Längen der verbindenden Kabel (3) zwischen dem Hochfrequenzquelle (11) und den elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elementen inhärent berücksichtigt werden.

[0026] Die Erfindung liefert neben der wichtigen Information über die abgestrahlten Felder oder reaktiven Nahfelder jedes Elementes (26), auch die Möglichkeit zu ermitteln, welcher Ausgangskanal (11) der mehrkanaligen Hochfrequenzquelle (18) mit welchem der elektromagnetische-Felder-erzeugendem Elemente (26) der Gruppenstruktur (19) verbunden ist, wodurch die Möglichkeit einer inkorrekten Verbindung und die Gefahr einer fehlerhaften Behandlung ausgeschlossen wird.

[0027] Durch die in jedes Element (26) integrierte Messeinheit (20) ist es möglich die elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente zu identifizieren, und somit eine individuelle Kalibration für jede Kombinationen von Gruppenelementen (26) und Messeinheiten (20) anzuwenden. Dadurch können die Kalibrierdaten dem richtigen Element zur Qualitätssicherung, zur einfacheren Handhabung und zur Sicherheit zugewiesen werden. Ein Kalibrierlabor kann daher eine akkreditierte Kalibrierunganbieten, die einem jeweiligen Element zugewiesen werden kann. Der modulare Aufbau der Gruppenstruktur (19) mit austauschbaren Elementen (26) erlaubt «plug and play» Fähigkeiten.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

[0028] Die bevorzugte Ausführung kann im Kontext mit dem Hochfrequenz-Hyperthermie-Applikator-System beschrieben werden (Abbildung 5). Dieses Hyperthermie-Applikator-System besteht aus Hardware und einem computerbasierten Steuerungssystem, wobei diese Komponenten die Nützlichkeit der fortschrittlichen Paradigmen der Erfindung verdeutlichen.

[0029] Das in Abb. 5 dargestellte Hyperthermie-Applikator-System besitzt die Form eines Ring-Gruppenantenne-Applikators (Abb. 2) bestehend aus elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elementen, wobei die elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente (Abb. 1) um den Körper in der Nähe der zu erwärmenden Region angeordnet sind. Nicht in jedem Fall müssen die Elemente einen vollständigen Ring formen, sondern können auch vornehmlich auf eine Seite des Patienten platziert werden. In dieser spezifischen Gruppenstruktur sollte der E-Feld Vektor aller Elemente innerhalb der Zielregion allerdings überwiegend in die’ gleiche Richtung ausgerichtet sein, was jedoch nicht bei allen Anwendungen des Systems zwingend notwendig ist. Die Region zwischen dem Applikator und dem Patienten ist mit einem Wasserbolus definierter Form ausgefüllt (Abb. 6) der die folgenden drei Vorteile bietet: <tb>1.<sep>Miniaturisierung der Antennenelemente aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante; <tb>2.<sep>Verkleinerung der Diskontinuität zwischen der Antenne und dem Patienten, da die dielektrischen Eigenschaften von Wasser und Gewebe näher zusammenliegen als die von Luft und Gewebe; <tb>3<sep>Kühlung der Haut des Patienten, da ein Grossteil der Energie an der Körperoberfläche absorbiert wird.

[0030] Schlitzantennen mit dahinterliegender Kavität (Abb. 1) wurden als die elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elementen in unserer bevorzugten Ausführung gewählt, da sie folgendes ermöglichen: geringe Profilhöhe, gute Polarisations-Reinheit, akkurate Dimensionen durch fotolithographische Leiterplattentechnik, Einfachheit der Herstellung, robuste Struktur, relativ breitbandige Anpassung und daher Toleranz gegenüber Umweltveränderungen. Bei einer Schlitzantennenausführung (2) ist die Messung des Feldes mit Hilfe von elektrisch kleinen Auskopplungsspulen (4) innerhalb der Kavität eine sehr geeignete Feldmessmethode. Die Schleifen sind ausreichend klein, sodass die Menge gekoppelter Leistung klein ist um Verhältnis zur totalen Leistung, welche hunderte von Watt betragen kann und am Antennenport (3) eingespeist wird, sodass das Feld im Schlitz/Kavität von der Messung unbeeinflusst bleibt.

[0031] Jedes Schlitz-Element des Applikators wird von einem phasen- und amplitudensteuerbaren Kanal der Hochfrequenzleistungsquelle gespeist (Abbildung 3). Die Felder in jedem Schlitz-Element des Applikators, entstehend aus seiner eigenen Anregung und der Feld-Verkopplung von anderen Elementen, werden erfasst (4) und mittels einer Messeinheit (20), die aus einem Phasen- und Amplitudendetektor (Abbildung 4) besteht, gemessen und dann an ein Kontrollsystem (21) übertragen. In diesem Fall wird ein In-Phase/Quadraturdemodulator (14) in Kombination mit einem Paar Analog-zu- Digital Wandler (15) zur Messung der In-Phasen und Quadratur-Spannungspegel verwendet. Das digitale Signal wird im Anschluss durch den Mikroprozessor (16) in Betrag und Phase konvertiert und über einen Messdatenbus (17) zu einer Messsteuerung übertragen.

[0032] Die Steuerung (22) stellt die Amplituden und Phasen (8) der mehrkanaligen Hochfrequenzleistungsquelle (18) ein und misst (20) die resultierenden Applikator-Felder (4) jedes Elements (26) und bietet die Möglichkeit einer rückgeführten Regelung was gewährleistet, dass die applizierten Felder die vordefinierten Feldern entsprechen.

[0033] Ein typisches Musterbeispiel ist, dass ein validiertes numerisches elektromagnetisches (EM) Modell der Applikator Gruppenantenne (19) mit einem patienten-spezifischen EM Modell, abgeleitet von CT, MRI oder anderen Bilddaten, in einer Behandlungsplanungssoftware verwendet wird. In der Behandlungsplanungssoftware wird die Zielregion oder die zu behandelnden Regionen festgelegt und die idealen Anregungen (oder die nicht-idealen unter Berücksichtigung der gegenseitigen Verkopplung und der Fehlanpassung basierend auf der Kopplungsmatrix des Modells, welche der realen Kopplungsmatrix oder auch nicht, wegen der vorhergehend erwähnten möglichen Nicht-Idealitäten, entsprechen kann) abgeleitet und die korrespondierenden EM-Felder, die SAR oder die Temperaturanstiege über die gesamte Zielregion oder die Regionen berechnet.

[0034] Die Zielanregung wird dann zur Behandlungssteuerungssoftware übertragen und der Patient entsprechend der Modellierung der Behandlungsplanung in den Applikator (19) platziert. Der Wasserbolus (25) ist mit de-ionisiertem Wasser gefüllt.

[0035] Die Messeinheiten (20) werden in den Kalibriermodus versetzt, in dem der Hochfrequenz-Schalter (13) in Abbildung 4 so eingestellt ist, dass die Kalibrierung • des Referenzsignals der Eingangsphase auf dem Bus (12) durch jede Messeinheit gemessen wird, was eine Kalibrierung der Phase der im Gesamtsystem erlaubt und die Phasenmehrdeutigkeit des h-2 Quadratur Phasen Teilers im In-Phase/Quadratur Demodulator (14) beseitigt.

[0036] Jeder Ausgang (11) der mehrkanaligen Hochfrequenzleistungsquelle (18) wird einzeln gespeist, um zu bestimmen, welches Applikator-Element (26) mit welchem Ausgangskanal verbunden ist und um die dadurch in allen Elementen induzierten Felder/Ströme (4) zu messen um die tatsächliche gegenseitige Verkopplungsmatrix für die Gruppenstruktur (19) zum Zeitpunkt der Behandlung zu bestimmen. Zusätzlich können Phasen- und Amplitudenpegelunterschiede aufgrund der Verbindungskabel oder Unterschiede im Übertragungskanal eliminiert oder auskalibriert werden. Ein Phasenversatz vom Ideal aufgrund von Variationen im Applikator-Element-Scheinwiderstand, beispielsweise aufgrund der Nähe eines Patienten und der damit einhergehenden Veränderung der dielektrischen Konstante in der unmittelbaren Umgebung, wird ebenso eliminiert.

[0037] Die Behandlung beginnt damit, dass eine Hochfrequenzleistung entsprechend der. Behandlungsplanung, entweder basierend auf den idealen oder den korrigierten (die Kopplungsmatrix verwendend) Anregungen, in jedes Element (26) eingespeist werden, dann die tatsächlichen Anregungspegel mittels Feldüberwachung (4) und Messeinheit (20) bestimmt werden und durch eine rückgekoppelte Steuereinrichtung (27) kontrolliert wird, und jegliche Abweichung vom gewünschten Anregungspegel ausgeglichen werden. Während der Behandlung kann die totale ausgehende Leistung jedes Kanals (11) geregelt (8) und die korrekte Beziehung zwischen Amplituden und Phasen überwacht, geregelt (20) und auf den korrekten Wert verändert werden.

[0038] Während die hier offengelegte Erfindung eine bestimmte Ausführungsform und eine bestimmte Anwendung beschreibt, könnten zahlreiche Modifikationen und Variation durch Fachpersonen dieser realisiert werden, ohne sich vom Sinn der Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt, zu entfernen.

Referenzen

Patente

[0039] United States Patent 5 251 645: «Adaptive nulling hyperthermia array». Inventors: Fenn, Alan J. (Wayland, MA). Assignee: Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA).

[0040] United States Patent 4672980: «System and method for creating hyperthermia in tissue». Inventors: Turner, Paul F. Assignee: BSD Medical Corporation (Salt Lake City, UT).

[0041] United States Patent US 5 441 532 and WIPO Patent Application WO/1993/000 132: «Adaptive focusing and nulling hyperthermia annular and monopole phased array applicators». Inventors: Fenn, Alan J. (Wayland, MA). Assignee: Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA).

Andere Literature

[0042] Fulton, C. and Chappell, W., 2009. Calibration techniques for digital phased arrays. IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems, COMCAS, pp: 1-10.

[0043] Paulides, M.M., Bakker, J.F., Neufeld, E., Van der Zee, J., Jansen, P.P., Levendag, P.C. and Van Rhoon, G.C. 2007. The HYPERcollar: a novel applicator for hyperthermia in the head and neck. International Journal of Hyperthermia, 23: 567-576.

[0044] Lee, KM., Chu, RS. and Liu, SC. 1993. A Built-In Performance-Monitoring/Fault Isolation and Correction (PM/FIC) System for Active Phased-Array Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 41: 1530-1540.

[0045] Lee, KM., Chu, RS. and Liu, SC. 1992. A Performance monitoring/fault isolation and correction System of a phased array antenna using transmissionline signal injection with phase toggling method. IEEE Antenna and Propagation Society Symposium, 1: 429-432.

Claims (18)

1. Ein System bestehend aus einer mehrkanaligen Hochfrequenzleistungsquelle (18) verbunden mit einer Anordnung/Gruppe (19) von Elementen zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26), in denen integriert sich Strom- oder Feld- (elektrisch, magnetisch oder elektromagnetisch)-Sonden (4), eine Messeinheit (20) zur Bestimmung der Phase und Amplitude des Sondensignales und eine rückgeführte Regelungstechnik (27) zur Steuerung der Hochfrequenzleistungsquelle (18) um die gewünschten elektromagnetischen Felder durch jedes einzelne Element zu erzeugen (26), befinden, sodass durch Überlagerung der Felder der erzeugenden Gruppenelemente eine spezifische Feldverteilung in einem definierten Raum erzeugt wird.

2. Ein System entsprechend Anspruch 1, in dem die Elemente zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26) Antennen (basierend auf einem Stromleiter oder einem Schlitzelement (2)) oder Spulen sind.

3. Ein System entsprechend Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem die Hochfrequenzleistungsquelle (18) die Möglichkeit bietet mittels individuell einstellbarer Amplituden und Phasen (8) individuell kontrollierbare Hochfrequenzensignale zu erzeugen (11).

4. Ein System entsprechend derjenigen der Ansprüche 1 bis 3, in dem die Elemente zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26) mit Anschlüssen ausgestattet sind (3), in welche die hochfrequenten Ausgangssignale (11) eingespeist werden, in denen ebenfalls eine oder mehrere Sonden (4) zur Messung der Phase und Amplitude des fliessenden Stromes in einem metallischen Element oder der Felder in einer Schlitzantenne (2) (in Analogie zum Strom im metallischen Element) integriert sind, wobei die Ausgangssignale der Sonden ein Mass des besagten Stromes oder der Felder sind.

5. Ein System entsprechend der Ansprüche 1 bis 4, in welchem die elektromagnetische Felder-erzeugenden Elemente (26) in einem Gruppenantenne (19) beliebig angeordnet sind, sodass jedes Element (26) durch das Ausgangsignal (11) eines Kanals der Hochfrequenzleistungsquelle (18) angeregt werden kann und sodass das Signal der integrierten Sonde (4) der felderzeugenden Elemente (26) proportional zum hochfrequenten Strom (oder Feld im Falle der Schlitzantenne) im jeweiligen Element ist.

6. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, in welchem die in den Elementen zur Erzeugung elektromagnetischer Felder (26) integrierten Stromsonden (oder Feldsonden im Falle schlitz-basierter Elemente) (4) eine Erfassung der relativen Amplitude und Phase der vom jeweiligen Element erzeugten elektromagnetischen Felder bei gegenseitiger Verkopplung zwischen den Elementen ermöglichen und daher eine Kontrolle der erzeugten Felder bei gegenseitiger Verkopplung der Elemente erlauben.

7. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, in dem die Messeinheit (20) einen ausreichenden Dynamikbereich besitzt, um die Messung der Phase und der Amplitude der elektrischen Signale der Sonden (4) zu ermöglichen.

8. Ein System entsprechend eines beliebigen der vorher genannten Ansprüche, in dem eine Messeinheit (20) ein In-Phase/Quadratur (IQ) Demodulator (14) oder ein vektorielles Voltmeter ist, wodurch durch eine Multiplizierung der gemessenen elektrischen Signale mit einem Kalibrierungs-Faktors eine Quantifizierung des Feldes, welches von jedem einzelnen Element (26) erzeugt wird, ermöglicht wird.

9. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, in dem in jedem der elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente (26) ein Kanal der Messeinheit (20) und dadurch in Form eines Modul integriert ist, sodass jedes der Module mit individueller Identifikation oder Seriennummer versehen werden kann, sodass die Kalibrierdaten nahtlos jedem der elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente zugeordnet werden können, womit Module austauschbar sind um Reparatur und /oder Service zu ermöglichen und wodurch die individuelle Identifikation eine sofortige Betriebsbereitschaft mit automatischer Erkennung unterschiedlicher Hardware und Zuordnung von Kalibrierdaten bietet.

10. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, in dem eine rückgeführte Regelungssteuerung (27) die Justierung der Amplitude und Phase (8) eines jeden Kanals der mehrkanaligen Hochfrequenzleistungsquelle (18) ermöglicht, sodass die durch die Sonden (4) erfassten und durch die Messeinheit (20) gemessenen Ströme (oder Felder im Falle schlitz-basierter Elemente) der elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente (26) den gewünschten Strömen (oder Feldern) entsprechen.

11. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, welches geeignet ist um hochfrequente Energie in ein oder mehrere dielektrische Objekte oder in eine oder mehrere Regionen der besagten Objekte zu bündeln, um Atome, Moleküle oder zelluläre Strukturen anzuregen oder die Temperatur innerhalb eines oder mehrerer Objekte, innerhalb einer oder mehrerer Regionen eines dielektrischen Objektes oder mehrerer Objekte, zu erhöhen.

12. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 11, das geeignet ist Felder und Ströme in einem menschlichen Patienten oder in spezifischen Regionen des Patienten zu induzieren, um Atome, Moleküle, Nerven oder andere chemische oder zelluläre Mechanismen anzuregen.

13. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, das geeignet ist Objekte im Raum zu lokalisieren.

14. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 13, in dem durch Steuerung der mehrkanaligen Hochfrequenzleistungsquelle (18), die mit einer Gruppe von elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elementen verbunden ist (19), in denen die erfassten Ströme (oder Felder bei schlitzbasierten Elementen) den gewünschten Strom- oder Feldpegel des der idealen Gruppenstruktur (19) ohne Kopplung oder Fehlanpassung entsprechen, wobei die gegenseitige Verkopplung und die Fehlanpassung zwischen den elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elementen implizit, ohne explizite Kenntnis oder Berechnung der gegenseitigen Verkopplung oder Fehlanpassung, korrigiert wird.

15. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 14, in dem Veränderungen in der gegenseitigen Verkopplung oder in der Fehlanpassung, aufgrund der Anwesenheit von dielektrischen oder metallischen Objekten (z.B. Patienten, Wasserbolus (25), Stützkonstruktionen! oder Veränderungen in der Position dieser Objekte, inhärent berücksichtigt werden.

16. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 15, in dem die gegenseitige Verkopplung oder Fehlanpassung, welche in Form einer Kopplungsmatrix beschrieben wird, in einer Gruppe beliebig angeordneter (19) elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente (26) direkt durch Anregung (11) jedes der elektromagnetische-Felder erzeugenden Elemente (26) einzelnen durch einen Kanal der mehrkanaligen Hochfrequenzquelle (18) und durch Messung aller Ströme oder Felder in allen Kanäle des Messsystems (20) von allen integrierten Sonden (4), durch die Kopplungsmatrix der Gruppenstruktur akkurater bestimmt werden kann, als bei Verwendung der Standard-Netzwerk-Analyse, da die nicht-idealen Ausgangsscheinwiederstände und die variablen Längen der verbindenden Kabel inhärent beinhaltet sind.

17. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 16, in dem die Kopplungsmatrix zur Berechnung der anfänglichen Amplituden und Phasen der Ausgangssignale (11) der mehrkanaligen Hochfrequenzquelle (18) genutzt wird und in dem das Messsystem (20) die Ströme oder Felder der Strom- oder Feldsonden (4), die wiederum integraler Bestandteil der elektromagnetische-Felder-erzeugende Elemente (26) sind, bestimmt sowie die rückgeführte Regelungssteuerung (27) zur Feinabstimmung des Systems genutzt wird, um die erwünschten Ströme oder Felder in den elektromagnetische-Felder-erzeugende Elementen bereitzustellen.

18. Ein System entsprechend eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 17, in dem jeder Hochfrequenzausgang (11) der mehrkanaligen Hochfrequenzquelle (18), der mit jedem der einzelnen elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente (26) verbunden ist, in beliebiger Reihenfolge mit der Gruppe (19) der elektromagnetische-Felder-erzeugenden Elemente verbunden werden kann und in dem die integrierte Strom- oder Feldsonde (4) genutzt werden kann, um zu bestimmen, welcher Hochfrequenzausgang mit welchem elektromagnetische-Felder-erzeugenden Element verbunden ist, und somit die korrekte Zuordnung zwischen Ausgang und Element definiert und dadurch die Erzeugung inkorrekter elektromagnetischer Felder aufgrund inkorrekter Zusammenschaltung verhindert.