DE2815156A1 - Anordnung zum oertlichen erwaermen von lebendem gewebe durch elektromagnetische wellen hoher frequenz fuer medizinische anwendungen - Google Patents

Description

	, MeV	Patentanwälte	/ Frankreich	28151	Dipl.-lng.	6. April	56
	Dipl.-Chem.	: C 3175	G. Leiser
Dipl.-lng	Dr. G. Hauser
E. Prinz	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60
		19'
C.G.R.	de Guyancourt
Route	BUC
78530	Zeichen:
Unser

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)

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60 G.G.R. MeV 6. April 1978 Route de Guyaneourt 78530 B ü 0 / Frankreich Unser Zeichen; G 3175 Patentansprüc he

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.

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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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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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