Излучатель

 

Изобретение относится к микроволновым излучателям для неоперационного лечения доброкачественных и злокачественных образований внутренних органов посредством локальной электромагнитной гипертермии, а также проведения электромагнитных измерений в сложных средах (с переменными электромагнитными параметрами). Для уменьшения длины области облучения и организации постоянного контроля температуры излучатель содержит отрезок радиочастотного кабеля 1 с СВЧ-разъемом 2, дипольную антенну с двумя плечами 3, 5, внешний и внутренний проводники 6, 8, диэлектрическую пленку 7, проводник 9, термодатчик 10, конденсатор 11, диэлектрический корпус 13. 1 ил.

Изобретение относится к микроволновым излучателем для неоперационного лечения доброкачественных и злокачественных образований внутренних органов посредством локальной электромагнитной гипертермии, а также проведения электромагнитных измерений в сложных средах (с переменными электромагнитными параметрами).

Известен излучатель для микроволновой терапии полостных органов, содержащий диэлектрический кожух, внутри которого установлен излучающий элемент, подключенный к коаксиальному вводу энергии и выполненный в виде центрального стержневого и внешнего проводника цилиндрической формы, с пространством между проводниками, заполненными диэлектриком, причем для создания локальной зоны нагрева с анаксиальным распределением поля у рабочего торца излучателя, на сплошной боковой поверхности цилиндрического проводника с равномерным шагом выполнены поперечные пазы одинаковой ширины с высотой, уменьшающейся по мере удаления от рабочего торца, при этом основания всех пазов, лежащих в одной плоскости, составляют угол от 5 до 20^o с осью цилиндрического проводника (Официальный Бюллетень Государственного комитета по делам изобретений и открытий при ГКНТ СССР N 12, 1990, N 1553142, кл. A 61 N 5/02).

Недостатками аналога являются значительная длина области излучения, диаметр излучателя с диэлектрическим кожухом, сложность реализации конструкции в диапазоне частот, обеспечивающем прогрев ткани на достаточной глубине и невозможность осуществления контроля температуры в области нагрева.

Для проведения гипертермии внутренних органов требуется глубина прогрева более 3 см, что требует применения рабочих частот 915 или 460 МГц (журнал ТИИЭР. 1974, N 1. Применение электромагнитной энергии в терапии. Гай. Лейманн, Стоунбридж с. 74).

Известно (А.З. Фрадин. Антенны сверхвысоких частот. М. Советское радио, 1957 с. 26, 485-495), что щелевые антенны на коаксиальных линиях имеют длину щелей, кратную λ/2, т.е. для их осуществления требуется минимальный диаметр наружного цилиндра более 16-20 мм (при заполнении излучателя диэлектриком с ε10), при этом с учетом размеров кожуха получают диаметр 20 мм и более. Такие поперечные сечения излучателя имеют ограниченное применение и непригодны для урологических, трахейных, легочных процедур и пр.

Для формирования диаграммы направленности с неосевым максимумом необходимы щели вдоль коаксиальной линии на длине, большей l/2, т.е. область облучения составляют величину 5 и 10 см соответственно на 915 и 460 МГц, что превращает протяженность большинства новообразований и ведет к облучению здоровых органов. В излучателе также не предусмотрена система контроля температуры, что осложняет проведение гипертермии и требует дополнительного оборудования и приборов.

Известен также излучатель для ВЧ и СВЧ-терапии полостных органов, содержащий диэлектрический корпус и фидер, подключенный к установленному внутри корпуса коаксиальному резонатору, образованному двумя проводниками, один из которых выполнен в виде цилиндрической спирали, причем для повышения точности угловой локализации поля, за счет обеспечения аксиально-несимметричного распределения интенсивности нагрева, внешний проводник выполнен в виде цилиндра, подключенного к внешнему проводнику фидера с продольным щелевым разрезом, угол раскрыва которого равномерно увеличивается от нуля со стороны фидера до угла 180-360^o на рабочем конце излучателя, а спиральный проводник подключен к центральной жиле фидера (Официальный Бюллетень Государственного комитета по делам изобретений и открытий при ГКНТ СССР N 46, 1989, кл. A 61 N 5/02).

Недостатками аналога являются значительная длина области облучения, диаметр такого излучателя, отсутствие температурного контроля в течение процедуры.

Известно (Техника и приборы СВЧ. И.В. Лебедев. М. Высшая школа, 1970, с. 324-332), что длины коаксиальных резонаторов кратны λ/4, что для диэлектрика с ε ≈ 3, обеспечивающем приемлемую добротность резонатора, дает минимальную длину порядка 5,5 и 10 см (на 915 и 460 МГц соответственно), причем более высокие частоты дают глубину прогрева недостаточную.

Для получения приемлемой добротности резонатора с целью возбуждения оптимальной излучаемой мощности отношение наружного к внутреннему диаметров резонатора составляют 3,6 и, как известно, однозначно связано с длиной волны что дает для частот 915 и 460 МГц максимальное значение внутреннего диаметра 2,5 и 0,7 см. Учитывая ширину витка спирали (больше внутреннего диаметра), толщину ленты спирали (более 0,2 мм), диаметр внутреннего диэлектрического заполнения (ограничен снизу механической прочностью материала при навивке спирали) более 2 мм, получим диаметр внешней поверхности резонатора соответственно более 6 и 9 мм. Последнее с толщиной внешней стенки резонатора и диэлектрического кожуха дает величину более 10 и более 15 мм и ограничивает по сечению значительное количество терапевтических применений. Как и в первом аналоге, здесь отсутствует возможность контроля температуры в процессе гипертермии.

Из известных излучателей наиболее близким по технической сущности является "Излучатель для полостной электромагнитной гипертермии" (Электронная техника, серия 1, Электроника СВЧ, вып. 10, 1983, с. 52-56, Э.А.Гельвич, И.Б. Давидович, В.Н. Мазохин).

Он содержит отрезок радиочастотного кабеля с СВЧ-разъемом на одном конце и излучающей дипольный антенной на другом конце. Первое плечо дипольной антенны представляет собой выступающий отрезок внутреннего проводника радиочастотного кабеля. Второе отрезок тонкостенный медной трубки, изолированной от внешнего проводника радиочастотного кабеля диэлектрической пленкой (например, фторопластом) и соединенной с внешним проводником радиочастотного кабеля со стороны первого плеча. Длина каждого плеча дипольной антенны (выступающего отрезка внутреннего проводника и тонкой медной трубки) равна λ_д/4, где , с скорость света в вакууме, f рабочая частота, ε - диэлектрическая проницаемость среды диэлектрика, заполняющего радиочастотный кабель.

Питание излучателя осуществляется путем подачи СВЧ-колебаний через СВЧ-разъем. При этом на плечах излучающей дипольной антенны наводятся переменные СВЧ-токи, возбуждающие в пространстве, окружающем излучатель, электромагнитное поле с диаграммой направленности, близкой к тороидальной.

В конструкции излучателя для полостной электромагнитной гипертермии применена излучающая дипольная антенна, имеющая область облучения, равную половине длины волны, что с учетом относительной диэлектрической проницаемости заполнения радиочастотного кабеля (полистирол 2,45-2,65, фторопласт 2,2) на частотах, выделенных для медицинских и промышленных применений (915 и 460 МГц) составит соответственно 10 и 25 см. Указанная конструкция приемлема на частоте 2450 МГц, где длина области облучения составляет порядка 4,5 см, однако на указанной частоте глубина прогрева тканей не превышает 1,7 см, что недостаточно даже для опухолей, диагностированных на ранней стадии (ТИИЭР.- 1974, N 1. Применение электромагнитной энергии в терапии. Гай, Леманн, Стоунбридж. с. 66-93). В прототипе не решен вопрос и с контролем текущей температуры в области облучения, что ограничивает применимость данного излучателя в урологической, трахейной, легочной и других областях.

Таким образом, указанные причины препятствуют сокращению области облучения и терапии температурно чувствительных органов.

Задачей изобретения является уменьшение длины области облучения, организация постоянного контроля температуры, что позволяет снизить мощность облучения и проводить гипертермию внутриполостных новообразований в полостях с минимальными размерами.

Для достижения технического результата в излучатель, выполненный из отрезка радиочастотного кабеля с СВЧ-разъемом на одном конце и излучающей дипольной антенной на другом конце, где первое плечо дипольной антенны представляет собой отрезок внутреннего проводника радиочастотного кабеля, а второе отрезок проводника, изолированного от внешнего проводника радиочастотного кабеля диэлектрической пленкой и соединенного со стороны первого плеча с внешним проводником радиочастотного кабеля, длины плеч дипольной антенны равны четверти длины волны и выполнены в виде спиралей, и первое из них соединено с внутренним проводником радиочастотного кабеля, а второе с внешним проводником радиочастотного кабеля, внутри первого плеча расположен проводник, соединяющий внешний проводник радиочастотного кабеля с термодатчиком, второй вывод которого соединен с внутренним проводником радиочастотного кабеля, параллельно термодатчику подсоединен конденсатор, причем излучатель покрыт с наружной стороны диэлектрической пленкой и помещен в диэлектрический корпус.

На чертеже представлен излучатель с сечением по длине.

Позиции на чертеже обозначают: 1 отрезок радиочастотного кабеля; 2 СВЧ-разъем; 3 первое плечо излучающей дипольной антенны; 4 выступающий отрезок внутренней части радиочастотного кабеля; 5 второе плечо излучающей дипольной антенны; 6 внешний проводник радиочастотного кабеля; 7 диэлектрическая пленка; 8 внутренний проводник радиочастотного кабеля; 9 проводник;
10 термодатчик;
11 конденсатор;
12 диэлектрическая оболочка;
13 диэлектрический корпус.

СВЧ-колебания подаются через СВЧ-разъем 2 и по отрезку радиочастотного кабеля 1 поступают на плечи 3 и 5 дипольной антенны, связанные соответственно с внутренним 8 и внешним 6 проводниками радиочастотного кабеля. Излучаемая дипольной антенной электромагнитная энергия производит нагрев тканей или окружающей среды, причем максимальный тепловой эффект проявляется в непосредственной близости от излучателя. Здесь установлен термодатчик 10, связанный с внутренним 8 проводником радиочастотного кабеля и посредством проводника 9, расположенного внутри спирального плеча 3 с внешним проводником 6. Параллельно термодатчику 10 включен конденсатор 11. Излучатель снаружи покрыт диэлектрической оболочкой 12 и помещен в диэлектрический корпус 13.

Преобразованная излучателем электромагнитная энергия излучается в окружающую среду. Форма диаграммы излучения близка к тороидальной и располагается вокруг оси излучателя, с центром между плечами 3 и 5. Энергия электромагнитного поля СВЧ распространяется в глубь тканей и преобразуется в тепло, т.е. повышает температуру пораженных органов. Скорость изменения температуры на единицу объема определяется мощностями: W_a поглощения, W_M метаболического теплообразователя, W_r рассеяния за счет теплопроводности, W_k отводимой системой кровообращения и описывается следующим выражением

где C удельная теплоемкость тканей.

В первом приближении, с учетом стационарного состояния, при
W_M W_r W_k ≈ 0

где s удельная теплопроводность, r плотность, a коэффициент затухания, f частота, R расстояние.

При этом для мышц и ряда желез, при
C 830 (кал/г·град); s 0,8 (см/м);
r 1,07 (д/м³); a 0,21 на F 460 МГц,

Что при мощности 10 Вт дает глубину проникновения, равную 3,57 см, и температуру нагрева около 4,6^oC, т.е. реальная температура тела в данном сечении составит 41,2^oC.

Максимальная мощность, рассеиваемая вблизи излучателя, будет давать при этом максимальный нагрев окружающих тканей, причем их температура составит 45,8^oC, что не вызывает заметной термотолерантности тканей и контролируется термодатчиком 10.

Поверхностная диэлектрическая пленка 12 защищает плечи излучателя от проводящей среды организма (физиологического раствора, плазмы крови, внутритканевой жидкости), что влияет на условие формирования диаграммы излучения и коэффициента стоячей волны (КСВ) излучателя.

Диэлектрический корпус 13 предотвращает прямой контакт излучателя с огранами и позволяет проводить требуемую обработку (стерилизацию) для многократного использования излучателя.

Применение описанного излучателя позволяет решить ряд вопросов внутриполостной гипертермии органов с малым диаметром выводящих полостей и ограниченной длиной новообразований вдоль полости, таких как урологических, трахейных, легочных и другое. (Он может использоваться и вместо описанных аналогов и прототипа, которые ориентированы для ректальных и вагинальных процедур). При этом мощность облучения значительно снижается, по сравнению с методами диатермии через наружные покрытия, что повышает эффективность и уменьшает вредное облучение здоровых тканей.

Описанный излучатель, кроме того, может применяться для исследования электромагнитных свойств сложных средств и законов излучения и распространения в них СВЧ-колебаний.

Пример. Излучатель выполнен из отрезка радиочастотного кабеля 1 (типа РК50-0,6-11 с диаметром 1,4±0,1 мм) с СВЧ-разъемом 2 (типа СР-50-724 ФВ) на одном конце для подачи СВЧ-мощности и снятия температурно-зависимого параметра термодатчика 10. Излучающая дипольная антенна, выполненная в виде спиралей 3 и 5 с электрическими длинами плеч, приблизительно равными

где C скорость света в вакууме, f -рабочая частота, e - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей излучающую часть излучающего диполя.

Для получения минимального коэффициента стоячей волны и оптимального распределения поля длина плеч регулируется в небольших пределах. Диаметры намотки плеч диполя определяются диаметрами внутренней и внешней поверхностей радиочастотного кабеля и значительно меньше длины l. Число витков диполей 7 11 и зависит от диаметра провода спиралей (материал с высокой электропроводностью, серебро, сплав ПСР и др.) и шага намотки, который соизмерим с диаметром и больше диаметра провода. Первое плечо 3 диполя сформировано на поверхности внутренней изоляции 4 радиочастотного кабеля и соединено с центральным проводником 8, а второе плечо 5 выполнено на внешней поверхности радиочастотного кабеля 7, предварительно покрытой слоем диэлектрика 8 с низкими потерями на СВЧ (полистирол, фторопласт) и соединено с внешним проводником 7 вблизи плеча 3.

Проводник 9 выполнен проводом МГТФ с диаметром меньше 0,5 мм внутри плеча 4 и соединен с внешним проводником 6 с одной стороны и с термодатчиком 10 (типа СТ1-19) с другой. Второй вывод термодатчика 10 соединен с внутренним проводником 8. Параллельно термодатчику 10 соединен конденсатор 11 типа К10-17 с номиналом 1500 пФ.

Вся конструкция излучателя после подстройки покрыта слоем диэлектрика (полистирол) 12 и помещена в диэлектрический корпус (катетер Фолея для урологического применения).

Формула изобретения

Излучатель, содержащий отрезок радиочастотного кабеля со сверхвысокочастотным разъемом на одном конце и выступающим внутренним проводником в диэлектрике и дипольной антенной с двумя плечами на другом конце, при этом первое плечо соединено с внутренним проводником отрезка радиочастотного кабеля, а второе плечо изолировано по длине от внешнего проводника отрезка радиочастотного кабеля диэлектрической пленкой и соединено с внешним проводником со стороны первого плеча, причем длина каждого плеча дипольной антенны равна четверти длины волны, отличающийся тем, что плечи дипольной антенны выполнены в виде спиралей, причем первое плечо выполнено на диэлектрике выступающего внутреннего проводника и внутри диэлектрика расположен проводник, соединенный одним концом с внешним проводником отрезка радиочастотного кабеля, а другим концом с термодатчиком, второй конец которого соединен с концом выступающего внутреннего проводника, причем параллельно термодатчику включен конденсатор, а с наружной стороны излучатель покрыт диэлектрической оболочкой и помещен в диэлектрический корпус.

РИСУНКИ

Рисунок 1