УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕРАПИИ Российский патент 2003 года по МПК A61N5/02 A61N1/40 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в различных разделах медицины для консервативного лечения в целях стимуляции систем жизнедеятельности при патологии, преимущественно костно-мышечного аппарата, центральной и периферической нервных систем, внутренних органов и сосудов, а также для оперативного лечения новообразований.

Известно устройство для электромагнитного воздействия на полостные органы (авторское свидетельство SU 1796195 МПК А 61 N 1/40 от 23.02.93 г.), которое состоит из рамочных излучателей электромагнитного поля, оси которых ортогональные и пересекаются в одной точке. Излучатели работают на разных частотах и создают в теле пациента три ортогональных магнитных потока, возбуждающих контурные токи в стенках полостного органа, как в замкнутом проводнике. Для усиления контурных токов служит реиндуктор из магнитодиэлектрика, помещенный в полость. Для симметрии токов входное отверстие в полость электрически закорачивается металлическим кольцом.

Однако данное устройство не может осуществлять непрерывный контроль температуры прогреваемых тканей, что может привести к их перегреву и некрозу. Кроме этого, применение данного устройства невозможно при лечении патологии любой локализации.

Известно также устройство для полостного воздействия (авторское свидетельство SU 1266548 МПК А 61 N 1/06 от 30.10.86 г.), которое содержит корпус с размещенным в нем излучателем, выполненным в виде цилиндрической спирали из ленточного проводника, причем корпус соединен с началом спирального излучателя, а коаксиальный ввод - с одним из последующих витков.

Однако использование этого устройства ограничено легкодоступными полостями организма и не может быть использовано в отдаленных и узких полостях. Кроме того, оно не имеет элементов защиты тканей от перегрева.

Известно устройство для внутриполостного воздействия (авторское свидетельство SU МПК А 61 N 1/06 1512622 от 07.10.89 г.), которое содержит эластичный трубчатый корпус из диэлектрического материала с размещенным на нем эластичным баллоном. Баллон соединен с одним из дополнительных каналов корпуса, связанного с источником повышенного давления, активным электродом в основном канале корпуса в его рабочем конце.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности воздействия на локализованную область в связи с тем, что радиус зоны ВЧ-нагрева превышает размеры устройства, а также отсутствие элементов, предохраняющих ткани от перегрева в процессе СВЧ-воздействия, и невозможности подбора оптимальной частоты для различных органов и тканей.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для сверхвысокочастотной гипертермии (авторское свидетельство SU 1779395 МПК А 61 N 1/40 от 07.12.92 г. ), которое содержит две кольцевые антенные решетки, в одну из которых помещен фантом органов человека с диэлектрическими параметрами, идентичными диэлектрическим параметрам больного органа, радиометрический приемник, широтно-импульсный модулятор, генератор СВЧ-колебаний, индикатор температур, коммутатор, фильтр, фазочувствительный детектор и генератор прямоугольных импульсов.

Его работа позволяет обеспечивать высокую точность поддержания температуры больного органа и надежно предотвращать риск перегрева его в процессе лечения благодаря наличию в устройстве обратной связи по температуре, а также источника опорного сигнала (фантом с антенной решеткой).

Однако данный прибор не может быть использован для внутритканевого и полостного СВЧ-воздействия, для локального воздействия с минимальным теплопереносом в окружающие ткани, и в нем отсутствует возможность оптимального подбора рабочих частот для разных органов.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности лечения за счет расширения функциональных возможностей при повышении уровня контроля за медико-биологическими показателями в процессе лечения и повышении мобильности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для электромагнитной терапии, содержащее антенный узел, радиометрический приемник, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора, генератор прямоугольных импульсов, индикатор и детекторный узел, причем антенный узел выполнен в виде монополь-вибратора и соединен через согласователь, связанный с выходом первичной линии рефлектометра, и СВЧ-усилитель с СВЧ-генератором, при этом к выходам плеч вторичной линии рефлектометра подключены детекторные секции детекторного узла, связанные выходами через аналоговый делитель с контроллером, подключенным восьмиразрядной шиной к согласователю и включающим генератор прямоугольных импульсов, импульсы которого подведены на вход широтно-импульсного модулятора и вход радиометрического приемника, выход которого связан с входом радиотермометра, с возможностью передачи сигналов на контроллер и индикатор скорости изменения температуры, а клавиатура подсоединена к управляющему входу СВЧ-генератора.

Заявляемое решение иллюстрируется блок-схемой, представленной на чертеже, где позициями обозначено:
1 - монополь-вибратор; 2 - согласующая муфта; 3 - пункционная игла; 4 - центральный проводник коаксиального волновода; 5 - иглодержатель, снабженный радиочастотным разъемом; 6 - согласователь; 7 - рефлектометр; 8 - СВЧ-усилитель; 9 - СВЧ-генератор; 10 - широтно-импульсный модулятор; 11 - детекторная секция; 12 - детекторная секция; 13 - аналоговый делитель; 14 - контроллер; 15 - генератор прямоугольных импульсов; 16 - клавиатура; 17 - радиометрический приемник; 18 - радиотермометр; 19 - индикатор скорости изменения температутры; 20 - блок питания; 21 - блок управления.

Перечисленные блоки, узлы и детали заявляемого устройства соединены в соответствии с функциональным назначением следующим образом.

Антенный узел, выполненный в виде монополь-вибратора 1, представляющий собой миниатюрный излучатель СВЧ-диапазона, согласованный в широкой полосе частот от 1,8 до 3,2 ГГц, смонтирован на иглодержателе 5, в котором закреплена пункционная игла 3 с центральным проводником 4, проходящим через согласующую муфту 2.

Монополь-вибратор 1 соединен с СВЧ-генератором 9 через согласователь 6, рефлектометр 7 и СВЧ-усилитель 8. Излучающий монополь-вибратор 1 конструктивно может быть помещен на конце пункционной иглы 3 или на конце гибкого радиочастотного фидера с диаметром, не превышающим 1 мм, что дает возможность доставить его к любой анатомически доступной точке организма. Пункционная игла 3 закреплена в иглодержателе 5, совмещенном с радиочастотным разъемом, и выполняет функцию внешнего проводника волноведущей коаксиальной линии. Важнейшей деталью данной конструкции является несимметричный монополь-вибратор 1, относящийся к классу антенн для материальных сред. Ближняя зона такой антенны представляет собой сферу вокруг излучателя с радиусом, близким к λ_т/4, где λ_т - длина волны проходящего ткань излучения.

СВЧ-генератор 9 имеет рабочий диапазон частот в интервале от 1,8 до 3,2 ГГц. Модуляционный вход СВЧ-генератора 9 подключен к выходу широтно-импульсного модулятора 10, имеющего широкий диапазон изменения отношения импульс-пауза (τ/Т). Здесь τ - длительность импульса, Т - период повторения импульсов. При изменении отношения τ/Т в пределах 1/2 до 1/200 средняя мощность на выходе генератора изменяется от 0,1 до 0,001 Вт. Таким образом осуществляется управление мощностью в широких пределах. За счет изменения величины подаваемой мощности возможен выбор режимов воздействия - от терапевтического до деструктивного, причем в строго ограниченной области.

СВЧ-генератор 9 соединен с клавиатурой 16. Задавая рабочую частоту генератора с клавиатуры 16, можно выбирать размеры ближней зоны облучения, в которой происходит выделение около 90% СВЧ-мощности, поступающей на излучатель.

СВЧ-сигналы поступают на монополь-вибратор 1, соединеный через согласователь 6 с первичной линией рефлектометра 7, подключенной к выходу СВЧ-усилителя 8 от СВЧ-генератора 9, управляемого широтно-импульсным модулятором 10. Он в свою очередь получает сигналы управления от контроллера 14 через генератор прямоугольных импульсов 15, формирующий импульсы опорной частоты и импульсы, соответствующие заданным интервалам времени.

Автоматическое слежение за температурой тканей, окружающих монополь-вибратор 1, осуществляется по цепочке, образованной монополь-вибратором 1, согласователем 6, рефлектометром 7, подключенным через вторичную линию к входу радиометрического приемника 17, соединенного с радиотермометром 18, контроллером 14, генератором прямоугольных импульсов 15, широтно-импульсным модулятором 10, СВЧ-генератором 9 и СВЧ-усилителем 8, включенными последовательно.

Рефлектометр 7 содержит волноведущую первичную линию и две вторичные линии с плечами ответвлений прямого и отраженного сигналов, слабо связанных с первичной линией.

Автоматическое слежение и поддержание необходимого уровня радиоволнового согласования монополь-вибратора 1 с тканями его окружающими осуществляется по цепочке, образованной согласователем 6, рефлектометром 7, подключенным выходами плеч вторичной линии на входы детекторных секций 11, 12, выходные сигналы которых далее поступают на аналоговый делитель 13, формирующий сигнал, пропорциональный величине коэффициента отражения падающего СВЧ-излучения на монополь-вибратор 1. Далее цепочка продолжается подключением выхода аналогового делителя 13 к входу контроллера 14, где происходит сравнение поступающих сигналов с заданным максимально допустимым значением. В случае превышения допустимых значений контроллером 14 вырабатываются управляющие команды, поступающие на вход управления согласователя 6 по восьмиразрядной шине. По этим командам согласователь 6 производит компенсацию реактивных составляющих входного сопротивления монополь-вибратора 1 до возвращения в допустимый интервал согласования.

Контроллер 14 содержит регулируемый источник опорного напряжения, величина которого определяет температурный порог. Если температура поднимается выше пороговой, то вырабатывается сигнал блокировки. По этому сигналу контроллер 14 выдает команду на выключение ШИМ 10 (τ=0). Так обеспечивается защита от перегрева здоровых участков тела пациента при гипертермии.

Устройство позволяет подбирать необходимые для поставленной задачи рабочие частоты. Для этого оно оснащено индикатором скорости изменения температуры 19, который подключен к выходу радиотермометра 18. Индикатор 19 имеет две функции: показывает скорость изменения температуры облучаемой области тела и выделяет контрастной цветной подсветкой максимальные значения. Выбор рабочей частоты осуществляется по признаку максимума скорости возрастания температуры, так как это соответствует максимальному поглощению СВЧ-излучения, обрабатываемой областью тела.

В заявляемом устройстве приняты меры для автоматической подстройки согласования СВЧ-усилителя с монополь-вибратором 1, что позволяет в процессе разогрева тканей тела исключить потери СВЧ-мощности на отражение и повысить точность измерения температуры. Подстройка осуществляется согласователем 6, выполненным на коммутируемых отрезках полосковых линий. Его радиочастотный вход подключен к первичной линии рефлектометра 7.

Перед назначением СВЧ-терапии проводят общеклиническое обследование больного, включающее общий анализ крови, биохимическое исследование крови, определяют состояние свертывающей и антикоагулянтной систем крови, ЭКГ. При компьютерно-томографическом исследовании уточняют локализацию патологического очага и наносят стереотаксическую разметку при помощи "брилиантовой зелени". После чего производят пункционное подведение иглы с монополь-вибратором 1 к патологическому очагу. При необходимости пункцию выполняют под контролем компьютерного томографа или рентгеновского электронно-оптического преобразователя. Монополь-вибратор 1 подключают через гибкий коаксиальный волновод к выходу согласователя 6 устройства для электромагнитной терапии.

Для приведения устройства в действие его подключают с сети переменного тока 220 В, 50 Гц. С помощью клавиатуры 16 блока управления 21 выбирают необходимые рабочие параметры терапевтического воздействия, в зависимости от поставленной задачи и свойств облучаемой ткани, после чего запускают процесс.

После запуска устройства контроллер 14 включает генератор прямоугольных импульсов 15 с частотой повторения, длительностью и амплитудой выходных импульсов заданного режима. Импульсы с генератора прямоугольных импульсов 15 поступают на вход широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 10, где преобразуются в импульсы управляемой длительности. Импульсы от ШИМ 10 запускают СВЧ-генератор 9 на время своей длительности. Радиоимпульсы с выхода СВЧ-генератора 9 поступают на СВЧ-усилитель 8, где пиковая мощность радиоимпульсов достигает 25 Вт. С выхода СВЧ-усилителя 8 сигналы поступают на рефлектометр 7, выполненный на связанных линиях с разными значениями переходного ослабления. В соответствующие плечи вторичной линии рефлектометра 7 ответвляется незначительная часть прямого и отраженного сигналов. С выходов обоих плеч ответвленные сигналы поступают на детекторные секции 11 и 12, где происходит их выпрямление и усреднение с постоянной времени, превышающей период повторения импульсов. Другая вторичная линия рефлектометра 7 слабо связана с первичной линией и нагружена согласованным сопротивлением в плече падающего сигнала, а выход плеча отраженного сигнала нагружен на вход радиометрического приемника 17.

С выхода первичной линии рефлектометра 7 СВЧ-излучение поступает на вход согласователя 6, управляемого контроллером 14. Согласователь 6 выполнен на коммутируемых pin-диодами отрезках полосковых линий и связан восьмиразрядной шиной с контроллером 14. С выхода согласователя 6 СВЧ-излучение поступает на вход монополь-вибратора 1 через фидер, образованный пункционной иглой 3 и центральным проводником 4. Монополь-вибратор 1 имеет длину, равную λ_г4 = c/4f√ε, где λ_т - длина волны в тканях тела, f - частота генератора, с - скорость света в свободном пространстве, ε - величина диэлектрической постоянной тела на рабочей частоте (ε≈48). Монополь-вибратор 1, являясь согласованной для тканей тела человека антенной, почти полностью закачивает СВЧ-излучение в область ближней зоны. Размеры ближней зоны в области размещения монополь-вибратора 1 для тканей тела человека менее чем λ_т/4, что обусловлено главным образом сильным поглощением СВЧ-излучения биотканями.

Однако в процессе поиска оптимальной рабочей частоты и в режиме гипертермии качество согласования монополь-вибратора 1 с тканями тела человека может заметно ухудшиться. Поэтому возникла необходимость использования в заявленном устройстве управляемого согласователя 6 для подстройки согласования. Цепь, образованная согласователем 6, рефлектометром 7, подключенным выходами плеч вторичной линии на входы детекторных секций 11, 12, сигналы которых далее поступают на аналоговый делитель 13, соединенный с входом контроллера 14, где происходит сравнение поступающих сигналов с заданным максимально допустимым значением, представляет собой следящую систему. Аналоговый делитель 13 улучшает автоподстройку согласования исключением влияния нестабильности в работе СВЧ-усилителя и СВЧ-генератора. Он формирует напряжение, зависящее прямо пропорционально от величины коэффициента отражения антенного узла u_r=kR, где k - коэффициент преобразования, R - коэффициент отражения. С выхода аналогового делителя 13 напряжение U_R поступает в контроллер 14 и сравнивается с опорным уровнем U₀, превышение которого приводит к формированию разностного сигнала При появлении разностного сигнала контроллер 14 автоматически запускает процедуру настройки согласования, которая продолжается до тех пор, пока разностный сигнал не будет сведен к нулю. С выхода контроллера 14 восьмиразрядное управляющее слово поступает на вход управления согласователя 6 по восьмиканальному соединителю. Каждой команде соответствует определенное сочетание отрезков волноведущих линий и шлейфов, компенсирующих реактивную составляющую входного сопротивления антенного узла. В процессе компенсации идет движение к улучшению качества согласования, завершаясь достижением соответствия интервалу допустимых значений коэффициента отражения. Это сопровождается уменьшением отраженного сигнала до перехода в область значений, где U_R<U₀. При таком условии разностный сигнал ΔU=0 и процедура автоподстройки согласования завершается.

Если величина коэффициента отражения падающего СВЧ-излучения на монополь-вибратор 1 снова превысит максимально допустимое значение, то контроллер 14 начнет вырабатывать управляющие команды, поступающие на вход согласователя 6 по восьмиразрядной шине. По этим командам в согласователе 6 коммутируются подстроечные элементы так, что идет компенсация реактивных составляющих входного сопротивления монополь-вибратора 1 до возвращения в допустимый интервал согласования.

Отраженное и собственное СВЧ-излучение из области воздействия передаются монополь-вибратором 1 через согласователь 6 на первичную линию рефлектометра 7. Малая часть этого излучения ответвляется в обе связанные вторичные линии рефлектометра 7. С выхода одной вторичной линии рефлектометра 7 отраженные сигналы поступают на вход детекторной секции 12, а с выхода другой вторичной линии рефлектометра 7 сигналы, пропорциональные интенсивности собственного СВЧ-излучения биоткани, из области воздействия поступают на вход радиометрического приемника 17. С выхода радиометрического приемника 17 усиленные и преобразованные сигналы, связанные с температурой облучаемой области линейным соотношением U=Mk_БTGΔf (k_Б - постоянная Больцмана, Т - температура, М - коэффициент передачи приемника, G - коэффициент передачи антенного узла, Δf - полоса приема), поступают на вход радиотермометра 18, где формируется линейно изменяющееся напряжение, соответствующее диапазону измеряемых температур от 30 до 65^oС. Далее привязанное к температуре напряжение поступает в контроллер 14, где сравнивается с заданным в используемом режиме работы значением. Разностный сигнал поступает на ШИМ 10 и уменьшает длительность импульсов при перегреве или увеличивает при уменьшении температуры ниже заданной. Далее эти импульсы подаются на управляющий вход СВЧ-генератора, соответственно меняя отношение импульс-пауза (τ/Т) в пределах 1/2 до 1/200. При этом средняя мощность на выходе генератора изменяется от 0,1 до 0,001 Вт. Таким образом осуществляется управление мощностью в широких пределах, что позволяет с большой точностью выдерживать заданные режимы гипертермии биотканей.

Подбор и коррекцию рабочих частот можно производить в процессе терапевтических процедур при наблюдении по индикатору 19 за скоростью роста температуры тканей тела, используя уровни мощности, характерные для гипертермии. Критерием выбора при этом служит простой максимум скорости роста температуры, найденный при изменении рабочей частоты в интервале допустимых значений (1,8-3,2 ГГц). Скорость роста температуры тканей тела находится в прямой зависимости от величины коэффициента поглощения ими СВЧ-излучения. Чем интенсивнее происходит поглощение СВЧ-энергии тканью тела, тем выше эффективность взаимодействия клеточных структур с электромагнитным полем. Таким образом, поиск рабочей частоты по признаку максимального поглощения вполне логичен при достаточно широком интервале рабочих частот устройства. Значения рабочих частот задают с клавиатуры 16, присоединенной к управляющему входу СВЧ-генератора 9. Для перехода к режиму выбора рабочей частоты нужно перейти к соответствующему режиму работы. С клавиатуры производится выбор и запуск всех режимов работы устройства, разработанных для терапии разного уровня от низкоинтенсивного СВЧ-воздействия до мощной гипертермии.

Устройство питается электрической энергией от вторичных источников, расположенных в блоке питания 20 и гальванически развязанных от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Блок питания 20 потребляет не более 60 Вт и подключается к обычной сети переменного тока.

После окончания СВЧ-воздействия на пораженный участок тканей и органов тела пациента устройство для электромагнитного излучения отключают от сети, отсоединяют гибкий коаксиальный волновод от радиочастотного разъема, размещенного на иглодержателе 5, а антенный узел 1-5 удаляют из тела. Место укола обрабатывают спиртом и йодом. Результат СВЧ-воздействия контролируется компьютерно-томографическими и ультразвуковыми методами исследования в динамике.

Данное устройство апробировано в эксперименте на животных и показало положительные результаты. Неоспоримым преимуществом продемонстрированных экспериментов является непрерывное слежение за результатами воздействия СВЧ-облучения и наличие возможности варьирования параметров в процессе терапии для подбора оптимальных значений.

Терапевтическое действие СВЧ-излучения на ткани пораженного участка органа или тела человека при гипертермии обусловлено угнетением клеточных структур при разогреве до критических температур. Механизмы нетеплового воздействия СВЧ-излучения на ткани и органы сложны, многогранны и еще слабо изучены. До сих пор нет удовлетворительно работающих теоретических моделей взаимодействия СВЧ-излучения с клеточными ассоциациями органов и тканей.

Медико-социальный эффект заявляемого устройства заключается в том, что оно пополняет класс медицинской наукоемкой техники и адаптировано к современным средствам программного управления. Устройство может быть использовано в медицинских центрах высококвалифицированными специалистами для лечения заболеваний самого разнообразного профиля: онкология, урология, травматология и ортопедия, нейрохирургия, сосудистая хирургия и др.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в различных разделах медицины для консервативного лечения в целях стимуляции систем жизнедеятельности при патологии преимущественно костно-мышечного аппарата, центральной и периферической нервных систем, внутренних органов и сосудов, а также для оперативного лечения новообразований. Устройство для электромагнитной терапии содержит антенный узел, радиометрический приемник, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора, генератор прямоугольных импульсов, индикатор и детекторный узел. Антенный узел выполнен в виде монополь-вибратора и соединен через согласователь с рефлектометром и СВЧ-усилителем с СВЧ-генератором. К выходам плеч вторичной линии рефлектометра подключены детекторные секции детекторного узла, связанные через аналоговый делитель с контроллером, подключенным восьмиразрядной шиной к согласователю и включающим генератор прямоугольных импульсов, связанный с широтно-импульсным модулятором и радиометрическим приемником, подключенным к радиотермометру. Изобретение позволяет повысить эффективность лечения за счет расширения функциональных возможностей при повышении уровня контроля за медико-биологическими показателями в процессе лечения и повышении мобильности устройства. 1 ил.

Устройство для электромагнитной терапии, содержащее антенный узел, радиометрический приемник, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора, генератор прямоугольных импульсов, индикатор и детекторный узел, отличающееся тем, что антенный узел выполнен в виде монополь-вибратора и соединен через согласователь, связанный с выходом первичной линии рефлектометра и СВЧ-усилителем с СВЧ-генератором, при этом к выходам плеч вторичной линии рефлектометра подключены детекторные секции детекторного узла, связанные выходами через аналоговый делитель с контроллером, подключенным восьмиразрядной шиной к согласователю и включающим генератор прямоугольных импульсов, импульсы которого подведены на вход широтно-импульсного модулятора и вход радиометрического приемника, выход которого связан с входом радиотермометра с возможностью передачи сигналов на контроллер и индикатор скорости изменения температуры, а клавиатура подсоединена к управляющему входу СВЧ-генератора.