Способ формирования свч-излучения при гипертермическом воздействии и устройство для его осуществления

 

Использование: в медицинской технике, в частности для лечения онкологических больных. Сущность изобретения: способ формирования СВЧ-излучения при гипертермическом воздействии состоит в том, что предварительно осуществляют охлаждение области до заданной температуры, фокусируют СВЧ-излучение в заданной области и производят облучение с задержкой относительно момента начала охлаждения. Установка для реализации способа содержит импульсный генератор СВЧ-излучения, систему направленных антенных элементов, связанных с генератором СВЧ-излучения, блок управления генератором СВЧ-излучения и систему связанных с ним датчиков температуры, причем каждый антенный элемент связан с генератором СВЧ-излучения через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь с регулируемым фазовым сдвигом. Изобретение обеспечивает локализацию воздействия на глубоко расположенные злокачественные опухоли. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. w ч fe

COI03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ б ::-.;-."""" .

К АВТОРСКОМУ CBRIT ETFJ ЬСТВУ. 2

ы

° и

Зь (21) 4811390/14 . (22) 09,02.90 (46) 30,03.93. Бюл. М 12 (71) Опытно-конструкторское бюро "Горизонт" (72) В.И.Артамонов, Г,С.Лукьянчиков, А.А.Постельников и Ю.Н,Рыжков (56) Александров Н.Н. и др. Применение гипертермии и гипергликемии при лечении злокачественных опухолей. M.: Медицина, 1980, с, 96.

Там же, с. 102, (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ГИПЕРТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛ ЕНИЯ (57) Использование; в медицинской технике, в частности для лечения онкологических больных. Сущность изобретения: способ формирования СВЧ-излучения при гиперИзобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при лечении онкологических больных.

Целью изобретения является локализация излучения на глубоко расположенные злокачественные опухоли.

На фиг. 1 и 2 показана установка для локальной гипертермии, В тканях человеческого тела 1 расположена злокачественная опухоль 2. Система антенных элементов 3 расположена так, что поток 4 СВЧ-излучения от этих элементов синфаэно фокусируется в злокачественной опухоли 2, Каждый антенный элемент 3 через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь 5 связан с импульсным пзу.Ы по 1 804793 А 1 (я)э А 61 N 5/02, 1/40, А 61 В 6/03 термическом воздействии состоит в том, что предварительно осуществляют охлаждение области до заданной температуры, фокусируют СВЧ-излучение в заданной области и производят облучение с задержкой относительно момента начала охлаждения. Установка для реализации способа содержит импульсный генератор СВЧ-излучения, систему направленных антенных элементов, связанных с генератором СВЧ-излучения, блок управления генератором СВЧ-излучения и систему связанных с ним датчиков температуры, причем каждый антенный элемент связан с генератором СВЧ-излучения через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь с регулируемым фазовым сдвигом. Изобретение обеспечивает лока- 3 лизацию воздействия на глубоко расположенные злокачественные опухоли. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

00 генератором 6 СВЧ-излучения, снабженным С блоком управления 7. Поверхность челове- Д ческого тела 1, через которую происходит . воздействие на опухоль 2 потоками 4 СВЧ- ьО излучения, охлаждается хладагентом 10, (1 циркулирующим в проточной системе охлаждения 11.

Размеры фокальнои области при фоку- ы сировке электромагнитного излучения, а следовательно, и локальность гипертермического воздействия на ткани человеческого тела, связаны с длиной волны электромагнитного излучения. При переходе к СВЧ-диапазону электромагнитных волн возможно достижение размеров фокального пятна порядка 1 — 2 см. Однако уменьшение длины

1804793 волны приводит к резкому затуханию электромагнитного излучения в поверхностных слоях человеческого тела, чем ограничивается глубина терапевтического воздействия. Поэтому воэможность достижения значительного локального терапевтического эффекта в глубоко расположенных тканях путем фо усировки СВЧ- излучения под большими телесными углами требует своего доказательства. С этой целью были проведены детальные, численные расчеты распределения интенсивности тепловыделения при поглощении электромагнитного излучения в диэлектрических средах; которые по своим электрофизическим параметрам близки к мышечным и костным тканям человека. Рассматривалось распространение в этих средах сходящихся электромагнитных сферических волн с длинами волн (в вакууме) в диапазоне 10-50 см для больших значений угла сходимости 45 < Р< 180О, Некоторые результаты расчетов приведены на фиг, 2 в виде зависимостей квадрата отношения амплитуд электромагнитной волны на расстоянии Z от фокуса и в фокальной точке /Exz/ // Exz=0/ от раоотояния адле указанных двух типов тканей при р = 500 и пРи Рваных аначениях коа фициента относительногоэатухания К- г-(А= у -длиж на волны излучения в диэлектрической

-.среде, ZE - расстояние, на котором амплитуда волны уменьшается в е раз). Видно, что, эффективность фокусировки существенно зависит от характера диэлектрической среды. Так, например, для костных, жировых и мозговых тканей, отличающихся малым влагосодержанием, фокусировка возможна для значительно широкого диапазона коэффициентов относительного затухания (от 0,5 до

1) и глубина проникновения фокальной области составляет 20-30 см (особенно при

k =0,5). Для мышечныхтканей, отличающихся наоборот большим влагосодержанием, фокусировка возможна только при коэффициенте относительного затухания не более

1 (для у=60 ) и глубина проникновения меньше, но все же, по сравнению с.аналогом и прототипом она больше, и при р 120-180 составляет 10-15 см. При увеличении телесного угла возможна большая глубина проникновения и большая контрастность фокального пятна.

Очевидно, что наиболее подверженными перегреву в результате воздействия

СВЧ-импульса являются поверхностные ткани человеческого тела. Поэтому для увеличения мощности импульса, а следовательно, и для повышения гипертермического эффекта в фокальной области необходимо предварительное охлаждение поверхностных тканей в зоне воздействия СВЧ-импульса.

Для предотвращения перегрева поверхностных тканей, несмотря на охлаждение, толщинотй го/2, что соответствУет экспоненциальному характеру затухания электромагнитной волны, то балансовое неравенство для телесного угла ф при фокусировке на глубину L будет . 2

Р У 2 @ < (ЬТ., + ЬТ,1p q

Ь Т/аах + A Tx > 188,32

q P Е

Здесь использовалось соотношение

2 — А Ло 2С. ео а

KKK) Ve K o где Р и т, — плотность мощности и длительность импульса СВЧ-излучения;

Лбах и,ЬТх допустимые значения . перегрева и охлаждения здоровых поверх, ностных тканей; р, q — плотность и удельная теплоемкость диэлектрической среды, характеризу35 ющие поверхностные ткани человеческого тела;

o, å- удельная проводимость и относительная диэлектрическая проницаемость среды, моделирующей поверхность ткани

40 человеческого тела;

Я,, А-длина волны СВЧ-излучения в вакучме и в диэлектрической среде;

С, а- скорость света и диэлектрическая постоянная вакуума.

45 При наложении экспоненциального

-профиля тепловыделения на нестационарный профиль температуры в предварительно охлажденных с поверхности поверхностных слоях человеческого тела, 50 может возникать локальный максимум температуры в более глубоких слоях. Для того чтобы данный максимум не превысил допустимого перегрева здоровых тканей, необходимо выбрать достаточную временную задержку между началом охлаждения и моментом подачи СВЧ-импульса. С другой стороны, длительное охлаждение может привести к переохлаждению всего организма, в том числе и области с злокачественной опухолью, что снизит гипертермический эф55 необходимо ограничение мощности единичного СВЧ-импульса уже на более высоком .уровне, исходя из баланса падающей и по"0 глощенной поверхностью энергий. Если предположить, что вся энергия СВЧ-импульса выделяется в поверхностном слое

1804793

5 Лтх > 7,049 10 а. ° О

Р "уу 1 Ги г з 0,52 ЛТопх p ц — где r — параметр фокусировки электромагнитного излучения, определяемый как доля мощности электромагllHTMQA волны, выделившаяся в фокальной области.

Приведенные неравенства необходимы для достижения положительного эффекта и фект, Поэтому требуется определенный вы- отсутствия отрицательных последствий гибор величины временной задер>кки Лт„, пертермического сеанса.

Сделаем соответствующие оценки, Примером аппарата, в котором могут

Нестационарный профильтемпературв быть реализованы заявленные способ и усмомент времени х в теле при непрерывном тройство, является аппарат, содержащий охлаждении его поверхности до температу- 5 импульсный СВЧ-генератор с мощностью в ры Тх описывается формулой импульсе длительностью 10 с не менее 10

Т(Х, г) = Тх+(Т вЂ” T )erf(). кВт, и с длиной волны излучения t0 см, а

2 а т также проточную систему охлаждения погде То — начальная температура тела; а — верхности тела человека до 4 — 5 С (это коэффициент температуропроводности те- 10 может быть осуществлено или водой, или ла; Х вЂ” расстояние от поверхности тела, глицерином). Антенные элементы, направего — функция ошибок от аргумента Z. ленные на тело человека, должны обеспечиПриХ Офункцияегр (Х )cболь- вать синфазнуо фокусировку

2 уа у 1б злелтромагнитной волны в телесном угле шой степенью точности аппроксими- 2 я стерад, Такой аппарат позволит имруется двумя первыми членами ряда: пульсно повысить температуру элокачест>2 венной опухоли размером 2-3 см, er ( (g ar ) g. т ° гт т 2 . е . z) раслоложенную на глубине 10-12смдознаимеющего оптимум при X

кки лт бу 25 темлература поверхности человеческого тедет неравенство 2 /а Тут, му, или ла не превысит 43 44 С, что не вызовет повреждений здоровых тканей, Достижение а,lx 2:7,049 10 — . 3

D х 7,0 10 — . Здесь ис- подобных гипертермических эффектов неаапользовано соотношение для Zo, приведенвозможно во всех существ ю их в настояущ ующ х настоя30 щее время аппаратов ДМВ-терапии. ное выше.

Длительность СВЧ-импульса ти и его

Формула изоб етения р у 3 бретения мощность P выбираются из условия дости1, Способ формирования СВЧ-изл чения при гипертермическом воздействии, жения требуемого гипертермического пере- включающий формирование импульсов вых, ограничение длительности имп льса тур и отключение действия СВЧ-изл чения д С Ч-излучения ти временными интервалами меньшими, и им Y« после достижения регист и емыми р гистрируемыми температурами заданных значений чем время, характерное для процесса расте- . АТ,„„о т л B ч а ю M и ка теплового а всле ствие теплол оЯдр в ледствие теплопро- 40 локализации воздействия излучения на глуводности, и, во-втоРых, пеРегРев фокальной боко расположен е области ЛТ>п имеющей размеры, где холи, предварительно осуществлЯют ;длина волны излучения в теле человека, ы c o ми osa„Ho охлаждение области до за анной темпе адо температур, требуемых для поражения 45 ажения 45 кусируют в заданной области и производят о лучение с задержкой относительно мо2 .мента начала охлаждения, причем плотХи < 0,04 ность мощности СВЧ-импульса P, его

8 б длительность ти, длина волны Я,> в вакууи 50 ме СВЧ-излучения идлительность задержки ,Я Atx между началом охлаждения и СВЧ-им 1 ти г>052 ЛТопх

0,52 Л onx P Ч --д- пульсом выбираются из условий

1804793

6 ги <0,04 г

ЛТуэка + ЛТх > 188,32

Р ти(г э где е,а(м /с ),о (1/Ом м),ц(Дж/кг град), р(кгlм ) — относительная диэлектрическая проницаемость, коэффициент температуропроводности, удельная проводимость, удельная теплоемкость и плотность соответственно тканей человеческого тела;

L — глубина расположения злокачественной опухоли относительно поверхности тела, м; телесный угол, в котором излучение падает на поверхность тела человека, стеP A

r — параметр фокусировки СВЧ-излучения в теле человека;

ЬТ» и ЬТмз — допустимое охлаждение и допустимый перегрев здоровых тканей.

2. Устройство для формирования СВЧизлучения при гипертермическом воздействии, содержащее импульсный генератор

СВЧ-излучения, систему направленных антенных элементов, связанных с генератором СВЧ-излучения, блок управления

5 генератором СВЧ-излучения и систему связанных с ним датчиков температуры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью локализации воздействия на глубоко расположенные злокачественные опухоли, каж10 дый антенный элемент связан с генератором СВЧ-излучения через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь с регулятором фазового сдвига.

З,Устройство по п.2, отл ича ю щее15 с я тем, что оно снабжено проточной системой охлаждения, имеющей канал, по крайней мере одна стенка которого выполнена из диэлектрика.

4.Устройствопоп.З. отличающее20 с я тем, что система антенных элементов размещена на диэлектрической стенке канала системы охлаждения.

1804793 и=1

Z c/3 ф — g ФжюммР 47А

Костнметкаац

0. 2

Фие 2

Составитель В. Артамонов

Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор Л, Филь, Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 909 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5