Способ формирования СВЧ-излучения при гипертермическом воздействии и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК A61N5/02 A61N1/40 A61B6/03 

Изобретение 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 синфазно фокусируется в злокачественной опухоли 2. Каждый антенный элемент 3 через отдельный амплитудно-фазовый преоб- разователь 5 связан с импульсным

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

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

С

о

4 ч|

О

СА)

волны приводит к резкому затуханию электромагнитного излучения в поверхностных слоях человеческого тела, чем ограничивается глубина терапевтического воздействия. Поэтому возможность достижения значительного локального терапевтического эффекта в глубоко расположенных тканях путем фокусировки 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 электромаг- нитных сферических волн с длинами волн (в вакууме) в диапазоне 10-50 см для больших значений угла сходимости 45° р 180°. Некоторые результаты расчетов приведены на фиг. 2 в виде зависимостей квадрата отношения амплитуд электромагнитной вол ны на расстоянии Z от фокуса и в фокальной

7.

точке /Ex,z/ // Ex, от расстояния 1для указанных двух типов тканей при (р - 60° и при разных значениях коэффициента отноАAn

сительногозатухания К -т-( -длина волны излучения в диэлектрической .среде, Zo.- 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 вла- госодержанием, фокусировка возможна для значительно широкого диапазона коэффициентов относительного затухания (от 0,5 до 1) и глубин а проникновения фокальной области составляет 20-30 см (особенно при к 0,5). Для мышечных тканей, отличающихся наоборот большим влагосодержанием, фокусировка возможна только при коэффициенте относительного затухания не более 1 (для ) 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-импуль- са.

Для предотвращения перегрева поверхностных тканей, несмотря на охлаждение, необходимо ограничение мощности единичного СВЧ-импульса уже на более высоком .уровне, исходя из баланса падающей и поглощенной поверхностью энергий. Если предположить, что вся энергия СВЧ-импульса выделяется в поверхностном слое толщиной Zo/2, что соответствует экспоненциальному характеру затухания электромагнитной волны, то балансовое неравенство для телесного угла ty при фокусировке на глубину L будет

.Vl2-Zo 2

|Z. i

Р у- .1/ fc (ATmax + ATx)

или

5

ATmax+ATx 188,32

Р Tu О

Z0

q

Здесь использовалось соотношение Я 2С-ео Ј

КТО К (До)

а

где Р и ги - плотность мощности и длительность импульса СВЧ-излучения;

Q АТтах и АТХ - допустимые значения перегрева и охлаждения здоровых поверх- v ностных тканей;

р, q - плотность и удельная теплоемкость диэлектрической среды, характеризу5 ющие поверхностные ткани человеческого тела;

от,кудельная проводимость и относительная диэлектрическая проницаемость среды, моделирующей поверхность ткани

0 человеческого тела;

До, Я- длина волны СВЧ-излучения в вакууме и в диэлектрической среде;

С, е - скорость света и диэлектрическая постоянная вакуума.

5 При наложении экспоненциального -профиля тепловыделения на нестационарный профиль температуры в предварительно охлажденных с поверхности поверхностных слоях человеческого тела,

0 может возникать локальный максимум температуры в более глубоких слоях. Для того чтобы данный максимум не превысил допустимого перегрева здоровых тканей, необходимо выбрать достаточную временную

5 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 эффект. Поэтому требуется определенный выбор величины временной задержки Лгх , Сделаем соответствующие оценки.

Нестационарный профиль температур в момент времени т в теле при непрерывном охлаждении его поверхности до температуры Тх описывается формулой

Т(Х, г) Тх + (То - Tx)erf (у ),

где То - начальная температура тела; а - коэффициент температуропроводности тела; X - расстояние от поверхности тела, erf(Z) - функция ошибок от аргумента Z.

у

При X - 0 функция erf („ / ) с больЈ V3 Т

шой степенью точности аппроксимируется двумя первыми членами ряда:

erf (-Л-) - У --(- l 2Var va -r -я 12-а-т 1

имеющего оптимум при ХКр 2 Var . Очевидно, что если протяженность зоны прогрева будет меньше, чем ХКр, то локального максимума температуры не будет. Поэтому необходимым ограничением для временной задержки Дгх будет неравенство 2Va Дгх 5rZ0 или

Arx 2:7,049- 10

-6

Ъ7

Здесь использовано соотношение для Zo. приведенное выше.

Длительность СВЧ-импульса ги и его мощность Р выбираются из условия достижения требуемого гипертермического перегрева злокачественной опухоли. Достаточными для этого являются во-первых, ограничение длительности импульса Ги временными интервалами меньшими, чем время, характерное для процесса растекания теплового ядра вследствие теплопроводности, и, во-вторых, перегрев фокальной

области АТопх имеющей размеры п , где

Д,-длина волны излучения в теле человека, до температур, требуемых для поражения

злокачественной опухоли, щие неравенства будут;

А

Соответствуюг„ 0,04

e-d

и Р V L2 ги г 0,52 АТопх р q jfa

где г - параметр фокусировки электромагнитного излучения, определяемый как доля мощности электромагнитной волны, выделившаяся в фокальной области.

Приведенные неравенства необходимы для достижения положительного эффекта и

0

0

5

0

5

0

5

0

отсутствия отрицательных последствий гипертермического сеанса.

Примером аппарата, в котором могут быть реализованы заявленные способ и устройство, является аппарат, содержащий импульсный СВЧ-генератор с мощностью в импульсе длительностью 10 с не менее 10 кВт, и с длиной волны излучения 10 см, а также проточную систему охлаждения поверхности тела человека до 4 - 5°С (это может быть осуществлено или водой, или глицерином), Антенные элементы, направленные на тело человека, должны обеспечивать синфазную фокусировку электромагнитной волны в телесном угле 2 п стерад. Такой аппарат позволит им- пульсно повысить температуру злокачественной опухоли размером 2-3 см, расположенную на глубине 10-12 см до значений 45-47°С, что однозначно должно привести к необратимым изменениям з раковых клетках. Для достижения требуемого терапевтического эффекта тепловое воздействие может быть повторено. При этом температура поверхности человеческого тела не превысит 43-44°С, что не вызовет повреждений здоровых тканей. Достижение подобных гипертермических эффектов невозможно во всех существующих в настоящее время аппаратов ДМВ-терапии. Формула изобретения 1. Способ формирования СВЧ-излуче- ния при гипертермическом воздействии, включающий формирование импульсов СВЧ-излучения, регистрацию поля температур и отключение действия СВЧ-излучения после достижения регистрируемыми температурами заданных значений АТопх, отличающийся тем, что, с целью локализации воздействия излучения на глубоко расположенные злокачественные опухоли, предварительно осуществляют охлаждение области до заданной температуры, сформированное СВЧ-излучение фокусируют в заданной области и производят облучение с задержкой относительно мо- .мента начала охлаждения, причем плотность мощности СВЧ-импульса Р, его длительность Ти , длина волны Лэ в вакууме СВЧ-излучения и длительность задержки Агх между началом охлаждения и СВЧ-им- пульсом выбираются из условий

Агх 7,049 Ю

-б

е а о2

Р.$ L2 -ги г 0,52 АТопх yO-q

. Я eW

Ги 0,04

Л1

ДТмакс + АТХ 188,32

где е, а (мэ/с ), а (1 /Ом м), q (Дж/кг град), Дкг/м2) - относительная диэлектрическая проницаемость, коэффициент температуропроводности, удельная проводимость, удельная теплоемкость и плотность соответственно тканей человеческого тела;

L - глубина расположения злокачественной опухоли относительно поверхности тела, м;

1 телесный угол, в котором излучение падает на поверхность тела человека, сте- рад;

г - параметр фокусировки СВЧ-излучения в теле человека;

ДТхи ДТмакс-допустимое охлаждение и допустимый перегрев здоровых тканей.

2. Устройство для формирования СВЧ- излучения при гипертермичееком воздействии, содержащее 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, отличающееся тем. что, с целью локализации воздействия на глубоко расположенные злокачественные опухоли, каждый антенный элемент связан с генератором СВЧ-излучения через отдельный амплитудно-фазо&ый преобразователь с регулятором фазового сдвига.

3. Устройство по п. 2, отличающее- с я тем, что оно снабжено проточной системой охлаждения, имеющей канал, по крайней мере одна стенка которого выполнена из диэлектрика.

4. Устройство по п.З, отличаю щее- с я тем, что система антенных элементов размещена на диэлектрической стенке канала системы охлаждения.

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

8

::: v/ .- ...:

10

/