МИКРОВОЛНОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ ФИЗИОТЕРАПИИ Российский патент 1997 года по МПК A61N5/02 A61N5/00 A61N1/06 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности, к электродам для микроволновой терапии, и может быть использовано для одновременного симметричного воздействия на почки, придатки, суставы, рук и ног, легкие и другие симметрично расположенные органы.

Известен излучатель для микроволновой физиотерапии, содержащий корпус, диэлектрический вкладыш и полосковый возбудитель, длина которого зависит от условий работы устройства и рабочей частоты [1]
Недостатком известного устройства является его резонансные свойства, затрудняющие обеспечение согласования, а также необходимость обеспечения высокой точности изготовления. Кроме этого, известное устройство имеет большие геометрические размеры, а его работа сопровождается большим паразитным излучением.

Известен ректальный электрод для ВЧ- и СВЧ-терапии, содержащий металлический корпус и диэлектрический колпак, в котором размещен излучатель, выполненный в виде резонатора, связанного с коаксиальным вводом электрической энергии, причем один из проводников резонатора выполнен в виде цилиндрической спирали, а другой в виде стержня [2]
Недостатком известного устройства является малая эффективность излучения из-за шунтирующего действия стержня при обеспечении волнового сопротивления, равного 75 Ом.

Наиболее близким к заявляемому является излучатель для микроволновой терапии, содержащий экранный и импедансный проводники и входной СВЧ-соединитель для подключения к стандартному СВЧ-генератору, причем импедансный и экранный проводники образуют плоскую замедляющую систему типа меандр с постоянными линейными размерами [3]
Недостатком известного устройства является невозможность его использования для одновременного облучения парных участков тела и необходимость использования двух генераторов с двумя электродами и обеспечения синфазности, одинаковой мощности и частоты излучаемой энергии СВЧ-колебаний с целью создания одинаковых параметров облучения парных органов.

Изобретение решает задачу создания излучателя для физиотерапевтического лечения симметрично расположенных органов и участков тела, включая лечение мочевыводящей системы, создания излучателя, обладающего более высокой эффективностью и позволяющего при изменении конструктивных размеров и формы изменять распределение излучаемой энергии внутри тела пациента.

В качестве технического результата, достигаемого при использовании предлагаемого изобретения, можно рассматривать обеспечение одинаковых параметров облучения парных органов, т.е. облучение их синфазным, одинаковой мощности и частоты СВЧ-сигналом.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом миикроволновом излучателе, содержащем двухпроводную замедляющую систему, включающую импедансный и экранный проводники, установленные на диэлектрическом основании и имеющую входной СВЧ-соединитель для подключения к СВЧ-генератору, а также диэлектрическую прокладку для изоляции импедансного проводника от облучаемой части тела, введен разветвитель и два гибких кабеля, а замедляющая система выполнена в виде двух идентичных отрезков импедансных и экранных проводников с двумя дополнительными СВЧ-соединителями, имеющими волновое сопротивление Zo, вдвое превышающее волновое сопротивление стандартного СВЧ-генератора, подключенных через введенные гибкие кабели с волновым сопротивлением Zo к выходным соединителям введенного разветвителя с волновыми сопротивлениями Zo, а входной СВЧ-соединитель микроволнового излучателя имеет стандартное волновое сопротивление и установлен на входе разветвителя.

При этом можно отметить следующую причинно-следственную связь между вышеуказанными признаками и достигнутым техническим результатом.

Повышение волнового сопротивления отрезков замедляющих систем до величины Zo, в два раза превышающем волновое сопротивление стандартного СВЧ-тракта, во столько же раз повышает эффективность излучения СВЧ-энергии в тело пациента.

Два отрезка замедляющих систем с двумя идентичными кабелями, включенных в параллель к выходам двухканального разветвителя СВЧ с выходными волновыми сопротивлениями, равными Zo, обеспечивают на входе разветвителя волновое сопротивление равное Zo/2, т.е. равное стандартному сопротивлению генератора СВЧ. Этим достигается полная, без потерь на отражение передача энергии СВЧ к микроволновому излучателю.

Равность деления энергии в разветвителе и идентичность кабелей обеспечивают вышеуказанные синфазность и одинаковость частоты и энергии, излучаемой в парные органы пациента.

Отличительными признаками заявляемого устройства является то, что:
замедляющая система разделена на два идентичных отрезка с волновыми сопротивлениями равными Zo на обращенных к генератору электромагнитной энергии концах, вдвое превышающими волновое сопротивление стандартного генератора электромагнитной (СВЧ) энергии и соединенных с последним посредством гибких, идентичных друг другу, СВЧ-трактов с волновыми сопротивлениями Zo и двухканального разветвителя с волновыми сопротивлениями выходов, в два раза превышающими сопротивление входа;
длина отрезков замедляющей системы лежит в интервале 0,1 1 длины волны в свободном пространстве;
импедансный проводник замедляющей системы выполнен в виде периодической последовательности, по меньшей мере, четырех, расположенных в одной плоскости перпендикулярно продольной оси замедляющей системы, полосок, электрически соединенных друг с другом по краям продольными перемычками, а экранный проводник замедляющей системы выполнен в виде по меньшей мере одной продольно расположенной полосы;
концы полосок, образующих импедансный проводник, отогнуты на 90^o в сторону экранного проводника;
экранный проводник выполнен с переменной по длине отрезков замедляющей системы шириной;
импедансный проводник выполнен с переменной по длине отрезков замедляющей системы шириной;
ширина образующих импедансный проводник полосок и расстояние между ними выполнены с плавным изменением по длине отрезков замедляющей системы;
диэлектрическая прокладка, фиксирующая зазор между импедансным проводником и телом, выполнена с переменной по длине отрезков замедляющей системы толщиной;
толщина диэлектрической прокладки, фиксирующей зазор между импедансным проводником и телом, не превышает λ/2πn,, где λ длина излучаемой волны в свободном пространстве, n замедление волны в отрезке замедляющей системы;
импедансный и экранный проводники, диэлектрическое основание и диэлектрическая прокладка выполнены эластичными, например тканными;
параметры отрезков замедляющей системы, входящих в микроволновый излучатель, выбраны из условия обеспечения, с учетом влияния облучаемого участка тела, замедления волны, по сравнению со скоростью света в свободном пространстве, не превышающего девяти.

Изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со следующими ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схему расположения входящих в излучатель отрезков замедляющей системы, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает продольное сечение одного отрезка замедляющей системы, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает отрезок замедляющей системы в варианте выполнения, когда импедансный проводник представляет собой периодическую последовательность металлических полосок, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает отрезок замедляющей системы с экранным проводником, ширина W которого изменяется вдоль отрезка, согласно изобретению;
фиг.6 изображает отрезок замедляющей системы, ширина импедансного проводника которой плавно изменяется вдоль отрезка, согласно изобретению;
фиг. 7 изображает отрезок замедляющей системы с диэлектрической прокладкой, толщина d которой плавно изменяется вдоль отрезка, согласно изобретению;
фиг. 8 изображает зависимость отношения мощности излучения P_из на длине отрезка равной длине замедленной волны l/n к проходящей в отрезке мощности P_o от величины замедления n;
фиг.9 изображает схематически эффект концентрации излучения внутри тела, согласно изобретению.

Микроволновый излучатель для физиотерапии содержит два идентичных отрезка 1, 2 замедляющей системы, соединенных посредством идентичных микроволновых трактов 3, 4 (фиг. 1) со стандартным 75- или 50-Омным разветвителем 5 электромагнитной энергии. Отрезки 1, 2 замедляющей системы располагаются симметрично на облучаемых участках тела 6 пациента, например на участках, расположенных над почками 7, 8. Отрезки 1, 2 включают импедансный проводник 9 (фиг. 2) и экранный проводник 10, установленные на диэлектрическом основании 11. Конец 12 импедансного проводника 9 и конец 13 экранного проводника 10 соединены, первый с проводником 14, а второй с проводником 15 микроволновых трактов 3, 4, например, специально изготовленных отрезков коаксиала с волновым сопротивлением вдвое превышающим волновое сопротивление разветвителя 5 электромагнитной энергии. Тракты 3, 4 выполняют гибкими с возможностью свободно перемещать отрезки 1, 2 друг относительно друга. Между телом 6 пациента и импедансным проводником 9 каждого из отрезков 1, 2 установлена диэлектрическая прокладка 16, которая может непосредственно входить в конструкцию отрезков 1, 2 замедляющей системы.

Как вариант выполнения отрезков 1, 2, импедансный проводник 9 представляет собой периодическую последовательность металлических полосок 17 (фиг. 3), расположенных в одной плоскости, перпендикулярно продольной оси z. По краям полоски 17 соединены друг с другом металлическими перемычками 18, расположенными продольно. Экранный проводник 10 представляет собой в этом варианте выполнения, по меньшей мере, одну металлическую полосу, проходящую вдоль оси z, а диэлектрическое основание 11 пластину, выполненную из диэлектрика с малыми электромагнитными потерями, например из фторопласта. Диэлектрическая прокладка 16 может быть также выполнена в виде пластины из фторопласта.

Возможен вариант излучателя, в котором края полосок 17 импедансного проводника 9 отогнуты на 90^o в сторону экранного проводника (фиг.4).

Возможен также вариант излучателя, в котором изменяется ширина D экранного проводника 10 (фиг. 5), или плавно изменяется ширина импедансного проводника 9 (фиг.6).

Возможен вариант, в котором диэлектрическая прокладка 16 выполнена с плавно изменяющейся по длине отрезков 1, 2 толщиной (фиг.7).

Работает предлагаемый излучатель следующим образом.

Электромагнитная энергия от медицинского генератора по линии передачи (на чертежах не показаны) подается на разветвитель 5 с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом. Далее с помощью микроволновых трактов 3, 4 энергия попадает на отрезки 1, 2 замедляющей системы. Благодаря тому, что отрезки 1, 2 соединены параллельно с разветвителем 5, их волновые сопротивления, как и волновые сопротивления микроволновых трактов 3, 4, выбираются вдвое большими волнового сопротивления разветвителя 5, которое, в свою очередь, должно быть равно волновому сопротивлению выхода стандартного медицинского генератора (на чертеже не показан), т.е. должно быть равно 75 или 50 Ом. Увеличение вдвое волнового сопротивления отрезков 1, 2 позволяет приблизительно во столько же увеличить эффективность излучения в тело 6 пациента электромагнитной энергии. Объясняется это тем, что при большом значении волнового сопротивления больше и расстояние W между импедансным проводником 9 и экранным проводником 10, благодаря чему меньше шунтирующее действие последнего и больше излучение.

Излучение электромагнитной волны из отрезков 1, 2 происходит благодаря тому, что замедление n волны в отрезках 1, 2 выбирается меньшим девяти, т.е. меньшим замедления плоской волны в теле 6 пациента. Интенсивность излучения зависит как от величины замедления n, так и от толщины δ диэлектрической прокладки 16, а также погонной емкости между импедансным проводником 9 и экранным проводником 10, т.е. от расстояния W между указанными проводниками.

На фиг.8 показаны зависимости мощности излучения P_из на длине каждого из отрезков 1, 2, равной длине замедленной волны l/n, к мощности проходящей в отрезках 1, 2 волны P_o от величины замедления n при разных значениях толщины δ диэлектрической прокладки 16 и фиксированном расстоянии W между проводниками 9, 10. Кривые 19, 20, 21 построены для d равного 0,1λ, 0,2λ, 0,3λ, соответственно.

Увеличение волнового сопротивления отрезков 1, 2, достигаемое либо увеличением расстояния W между проводниками 9, 10, либо уменьшением ширины одного из указанных проводников, позволяет увеличить эффективность излучения благодаря уменьшению концентрации энергии в области между импедансным и экранным проводниками 9, 10 и увеличению энергии в области, занимаемой диэлектрической прокладкой 16. Уменьшение толщины d прокладки 16 и увеличение диэлектрической проницаемости материала этой прокладки сопровождается как увеличением концентрации энергии в ней, так и увеличением замедления n, что, в свою очередь, может привести к уменьшению эффективности излучения, как это видно из приведенных на фиг.8 зависимостей. Поэтому материал прокладки 16 и ее толщина должны выбираться исходя из конкретного конструктивного выполнения отрезков 1, 2 замедляющей системы и требуемой интенсивности излучения на основании расчета и экспериментальных измерений.

Так как область сосредоточения электромагнитного поля около поверхности импедансного проводника не превышает l/2πn [4] а замедление n должно быть меньше девяти, то толщина δ прокладки 16 не должна быть больше l/2πn..

Изменяя по выбранному с помощью расчета закону толщину δ прокладки 16 (фиг. 7) можно формировать требуемую диаграмму излучения. Изменяя ширину D экранного проводника 10 также по выбранному с помощью расчета закону (фиг. 5), можно изменять распределение излучения вдоль отрезков 1, 2, но при этом будет существенно изменяться волновое сопротивление, что может привести к ухудшению согласования. Аналогичный эффект можно получить изменяя ширину полосок 17 и расстояние между ними.

Изменяя ширину импедансного проводника 9 (фиг.6) можно изменять конфигурацию облучаемого участка тела 6 пациента.

Благодаря тому, что синус угла v к нормали, под которым происходит излучение, обратно пропорционален замедлению n, можно осуществлять концентрацию энергии на заданной глубине в теле 6 пациента (фиг.9).

Благодаря новому эффекту излучения, входящие в предлагаемый излучатель отрезки 1, 2 замедляющей системы, могут иметь линейные размеры, существенно меньшие длины волны l в свободном пространстве, в частности, длина отрезков 1, 2 может лежать в интервале (0,1-1)λ. Объясняется это тем, что излучение происходит также как и в случае эффекта Черенкова из-за превышения фазовой скорости волны в замедляющей системе, т.е. в отрезках 1, 2, скорости волны в теле 6 (при эффекте Черенкова из-за превышения скорости зараженных частиц скорости волны в среде). При этом как и в случае эффекта Черенкова, угол v между нормалью к поверхности и направлением излучения изменяется от 90^o при равенстве скоростей до нуля, когда замедление n равно единице. Следует учитывать, что в этих крайних случаях интенсивности излучения резко уменьшается и определяется не указанным выше эффектом, а затуханием проникшего в тело 6 поля рассеяния.

В рассматриваемом в качестве примера выполнения микроволнового излучателя варианте отрезков 1, 2, число полосок 17, образующих вместе с перемычками 18 импедансный проводник 9, не должно быть меньше четырех. Объясняется это тем, что на практике длина отрезков 1, 2 приблизительно равна длине замедленной волны, т.е. l/n. При числе полосок 17 меньшем четырех, в этом случае, сдвиг фазы волны между ними оказывается большим π/2 и волна не может распространяться по отрезкам 1, 2.

Локализация излучаемой энергии по ширине отрезков 1, 2 увеличивается, если концы отрезков 17 отогнуты на 90^o в сторону экранного проводника 10, т. е. в сторону, противоположную от облучаемого участка тела 6 пациента. Объясняется это тем, что электрическое поле на концах отрезков 17 плавно уменьшается до нуля из-за шунтирующего действия перемычек 18. Максимальное свое значение электрическое поле принимает в центре полосок 17 и остается достаточно большим на двух третях их длины. Поэтому при отогнутых краях полосок 17 ширина отрезков 1, 2 оказывается меньше практически без уменьшения эффективности излучения, т.е. достигается локализация излучения по ширине отрезков 1, 2. При этом длина каждого из отогнутых краев полосок 17 не должна превышать одной шестой их длины.

Выполнение импедансного и экранного проводников 9, 10, а также основания 11, выполненного из диэлектрика, и диэлектрической прокладки 16 эластичными, т. е. облегающими под давлением тело 6 пациента, позволяет обеспечить более эффективное излучение электромагнитной энергии в тело 6 пациента.

Авторами были изготовлены и испытаны макеты предложенного излучателя. Испытания показали эффективность заявляемого технического решения и доказали работоспособность микроволнового излучателя для физиотерапии, согласно изобретению, при одновременном воздействии на симметрично расположенные органы и участки тела.

Область использования: к медицинской технике, в частности к электродам для микроволновой терапии, и может быть использовано для одновременного симметричного воздействия на почки, придатки, суставы рук и ног, легкие и другие парные органы и участки тела. Сущность изобретения: настоящее изобретение направлено на создание излучателя для физиотерапевтического воздействия на симметрично расположенные органы с использованием одного медицинского генератора. При этом также решалась задача - увеличение эффективности электромагнитного воздействия и обеспечения возможности путем изменения конструктивных размеров и формы излучателя варьировать распределением излучаемой энергии внутри тела пациента. Поставленная задача решается тем, что излучатель выполнен в виде двух идентичных отрезков замедляющей системы, соединенных с генератором электромагнитной энергии с помощью разветвителя и гибких микроволновых трактов с волновыми сопротивлениями, вдвое превышающими волновое сопротивление выхода генератора. Предложены различные варианты выполнения микроволнового излучателя. 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Микроволновый излучатель для физиотерапии, содержащий двухпроводную замедляющую систему, включающую импедансный и экранный проводники, установленные на диэлектрическом основании и имеющую входной СВЧ-соединитель для подключения к СВЧ-генератору, а также диэлектрическую прокладку для изоляции импедансного проводника от облучаемой части тела, отличающийся тем, что в него введен разветвитель и два гибких кабеля, а замедляющая система выполнена в виде двух идентичных отрезков импедансных и экранных проводников с двумя дополнительными СВЧ-соединителями, имеющими волновое сопротивление Z₀, вдвое превышающее волновое сопротивление стандартного СВЧ-генератора, подключенных через введенные гибкие кабели с волновым сопротивлением Z₀, к выходным соединителям введенного разветвителя с волновыми сопротивлениями Z₀, а входной СВЧ-соединитель микроволнового излучателя имеет стандартное волновое сопротивление и установлен на входе разветвителя. 2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что длина отрезков замедляющей системы лежит в интервале 0,1 1 длины излучаемой волны в свободном пространстве. 3. Излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что импедансный проводник замедляющей системы выполнен в виде периодической последовательности по меньшей мере четырех, расположенных в одной плоскости перпендикулярно продольной оси замедляющей системы, полосок, электрически соединенных друг с другом по краям продольными перемычками, а экранный проводник замедляющей системы выполнен в виде по меньшей мере одной продольно расположенной полосы. 4. Излучатель по п.3, отличающийся тем, что образующие импедансный проводник полоски на концах отогнуты на 90^o в сторону экранного проводника. 5. Излучатель по пп.1 4, отличающийся тем, что экранный проводник выполнен с переменной вдоль отрезков замедляющей системы шириной. 6. Излучатель по пп.1 5, отличающийся тем, что экранный проводник выполнен с переменной по длине отрезков замедляющей системы шириной. 7. Излучатель по пп.3 6, отличающийся тем, что ширина образующих импедансный проводник полосок и расстояние между ними выполнены с плавным изменением по длине отрезков замедляющей системы. 8. Излучатель по пп. 1 7, отличающийся тем, что диэлектрическая прокладка, фиксирующая зазор между импедансным проводником и телом, выполнена с переменной по длине отрезков замедляющей системы толщиной. 9. Излучатель по пп.1 8, отличающийся тем, что толщина диэлектрической прокладки, фиксирующей зазор между импедансным проводником и телом, не превышает л/2πn, где л длина излучаемой волны в свободном пространстве, n - замедление волны в отрезках замедляющей системы. 10. Излучатель по пп.1 9, отличающийся тем, что импедансный и экранный проводники, диэлектрическое основание и диэлектрическая прокладка выполнены эластичными, например ткаными. 11. Излучатель по пп. 1 10, отличающийся тем, что параметры отрезков замедляющей системы, входящих в микроволновый излучатель, выбраны из условия обеспечения с учетом влияния облучаемого участка тела, замедления волны по сравнению со скоростью света в свободном пространстве, не превышающего девяти.