Устройство для сверхвысокочастотной гипертермии Советский патент 1992 года по МПК A61N1/40 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в онкологии при лечении злокачественных новообразований внутренних органов человека.

Известны устройства для сверхвысокочастотной (СВЧ) гипертермии, состоящие из генератора СВЧ-колебаний, антенной системы с радиометрическим приемником и индикатором температуры нагреваемого органа или участка тела человека.

Недостатком указанных устройств является низкая точность поддержания температуры больного органа и опасность перегрева его при лечении вследствие отсутствия цепи автоматической обратной связи по температуре.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для СВЧ-гипертермии, состоящее из двух кольцевых антенных решеток, в одну из которых помещен больной орган, а во вторую - его фантом, генератора СВЧ-колебаний, двух радиометрических приемников, схемы сравнения, широтно-импульсного модулятора и индикатора температуры нагреваемого органа или участка тела человека.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточно высокая точность поддержания температуры больного органа, обусловленная наличием двух каналов усиления сигнала, каждый из которых состоит

Ю

из кольцевой антенной решетки и радиометрического приемника, неидентичность параметров которых приводит к дополнительной инструментальной погрешности устройства, что снижает эффективность лечения,

Целью изобретения является повышение эффективности лечения за счет повыше- ния точности поддержания заданной температуры больного органа.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее две кольцевые антенные решетки, в одну из которых помещен фантом органа человека, радиометрический приемник, широтно-импульсный модулятор, генератор СВЧ-колебаний и индикатор температуры, введены коммутатор, фильтр, фазочувствительный детектор и генератор прямоугольных импульсов. При этом выходы генератора прямоугольных импульсов соединены с модулирующими входами коммутатора и фазочувствительного детектора, выходы кольцевых антенных решеток подключены ко входам коммутатора, выход которого через последовательно соединенные радиометрический приемник, фильтр и фазочувствительный детектор подключен ко входу широтно-импульсного модулятора.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит две кольцевые антенные решетки 1 и 2, фантом 3 человеческого тела или органа, подлежащего лечению, коммутатора 4, радиометрический приемник 5, индикатор 6 температуры, фильтр 7, генератор 8 прямоугольных импульсов, фазочувствительный детектор 9, широтно-импульсный модулятор 10 и генератор 11 СВЧ-колебаний.

Выходы кольцевых антенных решеток 1 и 2 подключены ко входам коммутатора 4. Фантом 3 человеческого тела или органа, подлежащеголечению, помещен в кольцевую антенную решетку 2. Выход коммутатора 4 соединен со входом радиометрического приемника 5, выход которого подключен через фильтр 7 ко входу фазочувствительного детектора 9. Выход генератора 8 прямоугольных импульсов подключен к модулирующим входам коммутатора 4 и фазочувствительного детектора 9, выход которого через широтно- импульсный модулятор 10 соединен со входом генератора 11 СВЧ-колебаний. Выход генератора 11 подключен ко входу первой кольцевой антенной решетки 1, в которую помещают человека или его больной орган. Для измерения температуры больного органа в процессе лечения к выходу радиометрического приемника 5 подключен индикатор 6 температуры.

Температура фантома 3, расположенного в кольцевой антенной решетке 2, поддерживается стабильной на определенном уровне (например, 42°С), достаточном для

лечения клеток больного органа, при помощи постороннего термостатирующего устройства или нагревателя. При этом указанная температура должна поддерживаться не в полном объеме фантома 3. а

0 только в той его части, где находится фокус- электромагнитного поля кольцевой антенной решетки 2.

В заявляемом устройстве фантом 3 и антенная решетка 2 играют роль источника

5 опорного сигнала (опорной температуры), по отношению к которому поддерживается температура в заданной области больного органа.

Устройство работает следующим обра0 зом.

В кольцевую антенную решетку 1 помещают больного или его больной орган и фокусируют электромагнитное излучение генератора 11 СВЧ-колебаний в области те5 ла человека или его органа, подлежащего гипертермии.

Одновременно в кольцевую антенную решетку 2 помещают фантом 3 тела человека или его органа, диэлектрические пара0 метра которого в объеме области нагрева в точности повторяют аналогичные параметры больного органа, подлежащего лечению. Материалом фантома 3 может служить, например, пластилин, глицерин, вода и т.п.

5 материалы, по диэлектрическим свойствам близкие к аналогичным свойствам конкретного больного органа. Наконец, в качестве фантома могут быть использованы биологические препараты живой ткани животных

0 или человека, полностью совпадающие по параметрам с необходимыми параметрами больного органа.

Генератор 11 СВЧ-колебаний работает в импульсном режиме, излучая порциями

5 электромагнитную энергию, которая фокусируется и выделяется в определенном объеме тела человека. Длительность радиоимпульсов генератора 11 определяется режимом работы широтно-импульсного

0 модулятора 10 и зависит от разности температур фантома 3 и больного органа.

В паузах между радиоимпульсами кольцевые антенные решетки 1 и 2 принимают тепловое излучение в дециметровом диапа5 зоне волн, исходящие из фантома 3 и больного органа, и с выхода антенных решеток 1 и 2 в виде напряжения тепловых шумов поступает на входы коммутатора 4. Модулирующее напряжение (енератора 8 прямоугольных импульсов с помощью коммутатора 4 поочередно подключает выходы антенных решеток 1 и 2 ко входу радиомет- ршеского приемника 5. В радиометрическом приемнике 5 сигналы антенных решеток 1 и 2 усиливаются, детектируются и в виде напряжения постоянного тока, пропорционального контролируемой температуре, поступают на индикатор 6 температуры.

При равенстве температур фантома 3 и больного органа напряжение на выходе антенных решеток 1 и 2 равны между собой и поэтому на выходе радиометрического приемника 5 будет постоянное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре, которое фиксируется индикатором 6. При этом напряжение на выходе фильтра 7 и фазочувствительнорго детектора 9 равно нулю и не влияет на длительность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора 10.

Если температура больного органа будет ниже температуры фантома 3, напряжение шумов на выходе кольцевой антенной решетки 2 будет больше напряжения шумов на выходе кольцевой антенной решетки 1. Благодаря коммутации коммутатором 4 этих напряжений, на выходе радиометрического приемника 5 появится меандр напряжения с частотой генератора 8 прямоугольных импульсов, амплитуда которого будет пропорциональна разности температур фантома 3 и больного органа.

Фильтр 7 является полосно-пропускаю- щим в области частоты коммутации генератора 8 и поэтому он выделяет первую гармонику меандра выходного напряжения радиометрического приемника 5. В качестве фильтра 7 может быть использован, например, активный фильтр на операционном усилителе, либо резонансный усилитель, настроенный на частоту коммутации генератора 8.

Фазочувствительный детектор 9 преобразует поступающую на его вход с выхода фильтра 7 первую гармонику меандра в постоянное напряжение, полярность которого зависит от знака рассогласования температур фантома 3 и больного органа. В рассматриваемом случае на выходе фазочув- ствительного детектора 9 будет напряжение положительной полярности, что приведет к увеличению длительности выходных импульсов широтно-импульсного модулятора 10, повышению интенсивности нагрева больного

органа при помощи генератора 11 СВЧ-ко- лебаний и повышение его температуры до температуры фантома 3.

Аналогично, если температура больного

органа будет превышать температуру фантома 3, напряжение на входе фэзочувстви- тельного детектора 9 изменит знак на противоположный, что приведет к уменьшению длительности ВЫХОДНУХ импульсов широтно-импульсного модулятора 10. Это приведет к снижению интенсивности нагрева больного органа и соответствующего снижения его температуры до температуры фантома 3.

Таким образом, температура области человеческого тела или его органа, подлежащего лечению с помощью гипертермии, благодаря действию цепи следящей обратной связи, поддерживается с заданной степенью точности равной температуре фантома 3. Заданная точность поддержания температуры обеспечивается необходимым значением коэффициента передачи цепи обратной связи, в которую входит фильтр 7,

фазочуествительный детектор 9, широтно- импульсный модулятор 10 и генератор 11 СВЧ-колебаний.

Формула изобретения

Устройство для сверхвысокочастотной гипертермии, содержащее две кольцевые антенные решетки, к входу одной из которых подключен выход генератора СВЧ-колебаний, а внутри другой размещен фантом

органа человека, радиометрический приемник с индикатором температуры, широтно- импульсный модулятор, выход которого соединен с модулирующим входом генератора СВЧ-колебаний, отличающееся

гем, что, с целью повышения эффективности лечения за счет повышения точности поддержания заданной температуры больного органа, в устройство введены коммутатор, фильтр, фазочувствительный детектор и ге

нератор прямоугольных импульсов, выходы которого соединены с модулирующими входами коммутатора и фазочувствительного детектора, выходы кольцевых антенных решеток подключены к входам коммутатора,

выход которого через последовательно соединенные радиометрический приемник, фильтр и фазочувствительный детектор подключен к входу широтно-импульсного модулятора.

Использование: в онкологии при лечении злокачественных новообразований внутренних органов человека. Сущность изобретения: устройство содержит две кольцевые антенные решетки, в одну из которых помещен фантом органа 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. Благодаря наличию в устройстве обратной связи по температуре, а также источника опорного сигнала (фантом с антенной решёткой) обеспечивается высокая точность поддержания температуры больного органа и надежное предотвращение риска перегрева его в процессе лечения, что повышает эффективность лечения. 1 ил. сл