DE2815156A1 - Anordnung zum oertlichen erwaermen von lebendem gewebe durch elektromagnetische wellen hoher frequenz fuer medizinische anwendungen - Google Patents
Anordnung zum oertlichen erwaermen von lebendem gewebe durch elektromagnetische wellen hoher frequenz fuer medizinische anwendungenInfo
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Description
, MeV | Patentanwälte | / Frankreich | 28151 | Dipl.-lng. | 6. April | 56 | |
Dipl.-Chem. | : C 3175 | G. Leiser | |||||
Dipl.-lng | Dr. G. Hauser | ||||||
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19' | |||||||
C.G.R. | de Guyancourt | ||||||
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Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe durch elektromagnetische Wellen hoher
Frequenz für medizinische Anwendungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe unter Verwendung von elektromagnetischen
Wellen sehr hoher Frequenz, insbesondere für die Anwendung auf medizinischem Gebiet.
Bekanntlich kann die örtliche Erwärmung eines Organs oder eines Organteils entweder für sich allein oder in Verbindung
mit einer anderen medizinischen Behandlung, wie der Radiotherapie oder der Chemotherapie, beträchtliche therapeutische
Wirkungen haben.
Es sind bereits verschiedene Maßnahmen zum örtlichen Erwärmen eines Oberflächenbereichs des menschlichen Körpers
bekannt. Für tiefer liegende Organe wird das sogenannte Diathermie-Verfahren angewendet, bei welchem ein Kurzwellengenerator,
der beispielsweise bei einer Frequenz von
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13,5 oder 27 MHz arbeitet, an zwei einen Kondensator bildende Elektroden angeschlossen, die zu beiden Seiten
des zu erwärmenden Organs angelegt werden.
Die AnwendungsSchwierigkeiten und Nachteile dieser bekannten
Anordnungen sind von mehrfacher Art:
Die Temperaturerhöhung der verschiedenen Bereiche des Organs ist schwierig zu erkennen, da komplizierte Beziehungen
zwischen der Erwärmungsdauer, der Art des lebenden Gewebes und der erreichten !Temperatur bestehen. Es wird
insbesondere vorausgesetzt, daß an keiner Stelle eine Temperatur von 47° C überschritten werden darf, die selbst
in kurzer Zeit das Absterben der lebenden Gewebe zur Folge hat.
Im Pail der Diathermie kann man in gewissem Maße durch
Einwirkung auf die Form und die Abmessungen der Elektroden den zu erwärmenden Bereich abgrenzen. Die Abmessungen des
der Erwärmung ausgesetzten Bereichs sind jedoch zwangsläufig von der Größenordnung des gegenseitigen Abstands der
Elektroden, und demzufolge ist, je nach dem betroffenen
Bereich des Körpers, das erwärmte Volumen gegebenenfalls sehr viel größer als erwünscht.
Ferner kann man die Verteilung der Temperatur beim Erwärmen nicht beherrschen. So ist beispielsweise die Leistung pro
Volumeneinheit, die in einem Fettgewebe vernichtet wird, sehr viel größer als in einem Muskelgewebe. Dieser Effekt
kann die Einrichtung in bestimmten Fällen unwirksam machen, da eine gegebene Temperatur in einem bestimmten Gewebe nur
auf Kosten des Absterbens der benachbarten Gewebe erreicht
werden kann.
Die Erfindung ermöglicht die Behebung der zuvor angeführten Schwierigkeiten und ergibt die folgenden Vorteile:
- Der der Erwärmung ausgesetzte Bereich kann sehr genau
lokalisiert werden;
- gleichzeitig kann die maximale Temperatur des wärmsten Punktes gemessen werden;
- gegebenenfalls kann die Verteilung der Temperatur in dem behandelten Bereich angegeben werden·
Die erfindungsgemäße Anordnung enthält eine Sonde, die elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz abstrahlen
kann und in das zu erwärmende Medium einführbar ist, wobei die Sonde abwechselnd oder dauernd mit einer die elektrische
Energie sehr hoher Frequenz liefernden Einrichtung und mit einer Kontrolleinrichtung für die Temperatur des Mediums
verbunden ist, wobei die Kontrolleinrichtung durch einen radiometrischen Empfänger gebildet ist, der die vom Medium
zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung empfangen und Angaben liefern kann, welche die Temperatur des Mediums ausdrücken.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Energieversorgungseinrichtung einen elektrischen
Hochfrequenzgenerator, der mit der Sonde durch eine Übertragungsleitung,
beispielsweise durch eine Koaxialleitung verbunden ist, die zusammen mit der Sonde in das zu erwärmende
Medium einführbar ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung nach der Erfindung mit
einem radiometrischen Empfänger,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung zur Eichung des radiometrischen
Empfängers,
Fig. 3 bis 6 schematische Schnittansichten von Ausführungsbeispielen
von Sonden, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendbar sind,
Fig. 7 ein erläuterndes Diagramm,
Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Sonde mit eingebautem Thermoelement,
Fig. 9 eine Einführungskanüle für das Anbringen einer
Sonde und
Fig. 10 ein erläuterndes Diagramm.
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Die in Fig. 1 als Beispiel dargestellte Anordnung erhält eine schematisch durch, ein Rechteck 1 dargestellte
elektrische Energieversorgungseinrichtung für die Versorgung einer Sonde 5 mit elektrischer Energie sehr
hoher Frequenz, die mit der Sonde über eine Leitung 11, beispielsweise eine Koaxialleitung, einen Umschalter 3
und ein Koaxialkabel 4 verbunden ist.
Das durch das Rechteck 1 dargestellte Gerät enthält wenigstens einen Generator, der elektrische Energie fester oder
veränderlicher Frequenz im Bereich von 200 bis 2000 MHz (oder gegebenenfalls auch unter 200 MHz) erzeugt. Wenn nur
ein einziger Generator vorhanden ist, kann er mit einem System zur periodischen Änderung der Frequenz ("Wobbler")
ausgestattet sein, das durch eine Programmsteuerung nach Art einer Datenverarbeitungsanlage gesteuert wird, wodurch
die zeitliche Aufteilung zwischen den erzeugten Frequenzen geregelt wird.
Falls mehrere Generatoren im gleichen Gerät zusammengefaßt sind, können diese entweder gleichzeitig oder nacheinander
unter der Einwirkung eines Datenverarbeitungs-Programms Energie liefern. Wie nämlich später noch erläutert wird,
hängt die Eindringtiefe der von der Sonde abgestrahlten
Wellen nach einem von der Art der Sonde abhängigen Gesetz von der Frequenz ab. Verschiedene Sonden werden später beschrieben.
Mit dem Umschalter 3 ist es möglich, die Leitung 11 abzutrennen und das Kabel 4 mit einem radiometrischen Empfänger
2 zu verbinden. Ein solcher Empfänger von an sich bekannter Art enthält mehrere Strahlungsmeßeinrichtungen,
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die auf verschiedenen Frequenzbändern arbeiten. In einem derartigen Empfänger sind die Meßgeräte, welche die in
jedem Frequenzband bestehenden Hauschpegel angeben, direkt in Temperaturgraden geeicht. Es ist ferner möglich, den
Empfänger mit einem Rechengerät und Peripherie-Organen auszustatten, welche die Verteilung der Temperaturen in
einem die Sonde umgebenden Bereich angeben. Ein mit einem Rechner ausgestatteter Empfänger für fünf Frequenzbänder
ermöglicht die Anzeige von fünf Temperaturen in verschiedenen Abständen von der Sonde. Beispielsweise genügt eine
Meßdauer von der Größenordnung einer Sekunde zur Messung der maximalen Temperatur bis auf einen Bruchteil eines Grads
genau in einem Frequenzband, das von 0,2 F bis 2 F geht, wenn F die Frequenz der zur Erwärmung verwendeten Wellen
ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ermöglicht die Eichung des radiometrischen Empfängers. Die Bestandteile, die mit
denjenigen von Fig. 1 identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird der gleiche Hochfrequenzgenerator
beibehalten, aber in die Sonde 5 ist ein Thermoelement eingebaut, das später beschrieben wird. Dieses
System ist über eine Zweidrahtleitung 22 mit einem thermometrischen
Voltmeter 20 verbunden. Das Koaxialpaar des Kabels 4 ist über eine Koaxialleitung 21 unter Einfügung
eines Schalters 23 mit dem Hochfrequenzgenerator 1 verbunden.
Die Erwärmung kann dadurch gesteuert werden, daß den Anordnungen von Fig. 1 und 2 ein herkömmliches Regelsystem
zugeordnet wird.
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Die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten drei Sonden
sind Ausführungsbeispiele, die so ausgebildet sind, daß sie die Haut durchstoßen und in die lebenden Gewebe des
menschlichen Körpers eindringen können. Das Anbringen der Sonden kann durch, eine Nadel erleichtert v/erden, die
"Einführungs-Kanüle" (Pig. 9) genannt wird, und deren Durchmesser sehr klein sein kann, beispielsweise in der
Größenordnung von 1 mm. Die Sonde und das die Sonde verlängernde Koaxialkabel haben beispielsweise einen Durchmesser
von 0,85 mm und werden in der Kanüle angebracht, bevor diese in den menschlichen Körper eingeführt wird.
Kach dem Eindringen und Plazieren der Anordnung wird die Kanüle vorsichtig herausgezogen, wobei man sie auf dem
Koaxialkabel gleiten läßt.
Eine Sonde der in Pig. 3 gezeigten Art wird einfach dadurch erhalten, daß ein Koaxialkabel von kleinem Durchmesser
abgeschnitten wird, von dem man den Außenleiter 51 über eine Länge von beispielsweise zwei Zentimetern entfernt.
Da Dielektrikum 52 ist eine organische Verbindung, die bei der Temperatur des menschlichen Körpers fest ist,
beispielsweise Polytetrafluorethylen. Der Innenleiter 53 dient als Antenne für die Abstrahlung der elektromagnetischen
Wellen in das lebende Gewebe, wobei das freigelegte Dielektrikum als Irapedanzanpassungsglied zwischen der
Antenne und dem Ausbreitungsmedium dient.
Die in den Figuren 4- und 5 dargestellten Sonden sind abgeänderte
Ausführungen, bei denen der Mittelleiter 53 entweder über die ganze Länge der Antenne oder über deren
halbe Länge freigelegt ist, wobei der Außenleiter über eine Strecke von gleicher Größenordnung wie in Pig. 3
entfernt ist. Die Wahl der Länge der Antenne erfolgt in
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Abhängigkeit von dem Wellenwiderstand des Koaxialkabels und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung (beispielsweise
2 cm für ein Kabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm in einem Frequenzbereich von 300 bis 2500 MHz).
In Fig. 7 ist ein Diagramm gezeichnet, das den Bruchteil der reflektierten Leistung (in fo) für die Sonden der
Figuren 3 bis 5in Abhängigkeit von der vom Generator erzeugten
Frequenz angibt. Es ist zu ersehen, daß die drei entsprechenden Kurven jeweils einen exponentiell abfallenden
Abschnitt aufweisen, der eine Gerade mit der Ordinate 10 io an einem Punkt schneidet, der die folgende Lage hat:
- zwischen 300 und 500 MHz für die Kurve 31 (Sonde von Fig. 3);
- zwischen 900 und 1500 MHz für die Kurve 32 (Sonde von Fig. 4);
- zwischen 1800 und 2000 MHz für die Kurve 33 (Sonde von
Fig. 5).
Daraus ist zu entnehmen, daß der im Organ in Form von Wärme (durch dielektrische Verluste) vernichtete Prozentsatz
der Gesamtleistung sehr groß ist (über 90 $), sobald
eine Mindestfrequenz überschritten wird, die für die Art
der verwendeten Sonde bei einem Kabel mit gegebenem Wellenwiderstand und für ein gegebenes Gewebe kennzeichnend
ist.
Mit der gleichen Sonde kann man unterschiedliche Eindringtiefen
durch Änderung der Frequenz erhalten; daraus ergibt sich der Vorteil der Verwendung eines Generators,
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dessen Frequenz insbesondere durch ein Informationsprogramm veränderlich, ist.
Die in Pig. 6 dargestellte Sonde ist von anderer Art; sie ist für die Einführung in den menschlichen Körper
auf natürlichem Wege, beispielsweise ösophag, geeignet. Sie unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen
Sonden nur durch das Vorhandensein einer eiförmigen Umhüllung aus dielektrischem Material, das in Abhängigkeit
von seinen physikalischen Eigenschaften (insbesondere mit ähnlicher Dielektrizitätskonstante wie das Dielektrikum
52) und von seinen chemischen Eigenschaften (Unschädlichkeit für das lebende Gewebe) gewählt ist, beispielsweise
aus Silicon. Es kann auch Polytetrafluoräthylen verwendet werden.
Tig. 8 zeigt ein Thermoelement, das in das eine Sonde 5
speisende Kabel 4 eingebaut ist. Ein Draht 41 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (60 $ Kupfer, 40
<fo Nickel), die unter der Bezeichnung Constantan bekannt ist, ist am Umfang
des Kabels 4 angeordnet, jedoch durch ein Dielektrikum 42 vom Außenleiter 51 des Koaxialkabels isoliert. In
unmittelbarer Nähe der Sonde 5 ist dieser Draht bei 410 an den Außenleiter 51 angeschweißt. Der Draht 41 tritt
am anderen Ende des Kabels 4 aus, wo er mit einem ersten Leiter der Zweidrahtleitung 22 verbunden ist, die in Fig.
durch eine einfache Linie dargestellt ist, während der zweite Leiter der Zweidrahtleitung mit dem Außenleiter
verbunden, ist. Ein solches System ergibt mit Hilfe des zuvor beschriebenen thermometrischen Voltmeters eine
Messung der Temperatur unmittelbar am Ort der Sonde.
Fig. 10 bezieht sich auf ein System mit zwei Sonden 101 und 102, die parallel in einem zu behandelnden Organ
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angeordnet sind. Das Anbringen der beiden Sonden kann durch Verwendung eines Systems mit zwei Einführungskanülen erfolgen, die parallel zueinander durch eine
Metallplatte verbunden sind, auf der sie an ihren Endabschnitten angelötet sind, während die Spitzen der
Kanülen frei bleiben.
Es sei die Symmetrieachse des Systems der beiden Sonden
durch die Linie X-X dargestellt. Wenn man auf der Abszisse die entlang einer x-Achse gemessenen Abstände der verschiedenen
Punkte des zu behandelnden Organs von der Symmetrieachse aufträgt und auf der Ordinate entlang einer dazu
senkrechten Achse die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der
Temperatur der verschiedenen Punkte des erwärmten Bereichs und der normalen Temperatur des zu behandelnden Organs,
erhält man die Kurve 100. Eine solche Kurve hat zwei abgerundete Scheitel, die jeweils an der Stelle der einen
bzw. der anderen der beiden Sonden liegen. Es ist zu erkennen, daß der erwärmte Bereich beträchtlich verbreitert
ist, und daß eine gewisse Vergleichmäßigung der Temperatur
eintritt. Man kann auch Systeme mit drei oder vier Einführungskanülen verwenden, die in gleicher Weise wie das
System mit zwei Kanülen parallel zueinander fest verbunden sind.
Wenn mehrere Sonden verwendet werden, können diese jeweils über ein Koaxialkabel, das gegebenenfalls mit einem Thermoelement
ausgestattet sein kann, parallel zueinander mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden sein, wobei gegebenenfalls
ein Umschalter der in Fig. 1 dargestellten Art eingefügt sein kann.
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Claims (11)
1.]Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe
unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen sehr hoher Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß eine in das
zu erwärmende Medium einzuführende Sonde vorgesehen ist, die für die Abstrahlung der Wellen ausgebildet ist, daß
die Sonde mit einer die elektrische Energie sehr hoher Frequenz liefernden Einrichtung verbunden ist, und daß
die Sonde mit einer Kontrolleinrichtung für die Kontrolle
der Temperatur des Mediums verbunden ist, die durch einen radiometrischen Empfänger gebildet ist, der die vom
Medium zurückgeworfene und von der Sonde aufgefangene elektromagnetische Strahlung mißt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung einen elektrischen
Hochfrequenzgenerator enthält, der mit der Sonde durch eine Übertragungsleitung, insbesondere eine Koaxialleitung,
verbunden ist, die zusammen mit der Sonde in das zu erwärmende Medium einführbar ist.
Lei/Gl
3. Anordnung nach Anspruch. 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet,
daß die Sonde dadurch gebildet ist, daß ein Koaxialkabel mit festem Dielektrikum abgeschnitten ist und der Außenleiter
des Koaxialkabels auf eine Länge entfernt ist, die von der Größenordnung der halben Wellenlänge der Strahlung
der Sonde ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonde dadurch erhalten ist, daß ein Koaxialkabel mit festem Dielektrikum abgeschnitten
ist, daß der Außenleiter des Kabels über eine Länge entfernt ist, die von der Größenordnung der halben Wellenlänge
der Erwärmungs-Strahlung ist, und daß das zuvor freigelegte feste Dielektrikum wenigstens über einen
Teil der Länge der Sonde entfernt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde von einer Umhüllung aus dielektrischem Material
umgeben ist.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das feste Dielektrikum des Koaxialkabels Polytetrafluoräthylen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Polytetrafluoräthylen besteht.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Silicon besteht.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der radiometrische Empfänger für mehrere Frequenzbänder ausgelegt ist und eine Temperaturanzeigevorrichtung für
jedes der Frequenzbänder enthält.
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_ "K —
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der radiometrisch^ Empfänger einen Rechner und Peripherie-Organe
enthält, welche die Verteilung der Temperaturen in einem die Sonde umgebenden Bereich angehen.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Regelsystem für die elektrische Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung der Sonde vorgesehen ist, und daß
das Regelsystem durch die Temperaturkontrolleinrichtung gesteuert wird.
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