Способ формирования свч-излучения при гипертермическом воздействии и устройство для его осуществления

(19) ИЕ ИЗОБ ТЕН А ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(56) Александров Н.Н. и др. Применение гипертермии и гипергликемии при лечениизлокачественных опухолей. М.: Медицина,1980, с, 96.Там же, с. 102,(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ГИПЕРТЕРМИЧЕСКОМВОЗДЕЙСТВИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГООСУЩЕСТВЛ ЕНИЯ(57) Использование; в медицинскойтехнике,в частности для лечения онкологическихбольных, Сущность изобретения: способформирования СВЧ-излучения при гиперИзобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при лечении онкологических больных.Целью изобретения является локализация излучения на глубокорасположенные 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 синфаэно фокусируется в злокачественной опухоли 2, Каждый антенный элемент 3 через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь 5 связан с импульсным 1 й 5/02, 1/40, А 61 В 6/03 термическом воздеиствии 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. 00 генератором 6 СВЧ-излучения, снабженным С блоком управления 7. Поверхность челове Ьь ческого тела 1, через которую происходит . воздействие на опухоль 2 потоками 4 СВЧ- ьО излучения, охлаждается хладагентом 10, ( ) циркулирующим в проточной системе охлаждения 11.Размеры фокальнои области при фоку- ы сировке электромагнитного излучения, а ь следовательно, и локальность гипертермического воздействия на ткани человеческого тела, связаны с длиной волны электромагнитного излучения. При переходе к СВЧ-диапазону электромагнитных волн возможно достижение размеров фокального пятна порядка 1 - 2 см. Однако уменьшение длиныволны приводит к резкому затуханию электромагнитного излучения в поверхностнцх слоях человеческого тела, чем ограничивается глубина терапевтического воздействия. Поэтому воэможность достижения значительного локального терапевтического эффекта в глубоко расположенных тканях путем фогусировки 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 электромагнитных сферических волн с длинами волн (в вакууме) в диапазоне 10-50 см для больших значений угла сходимости 45Р 180 О, Некоторые результаты расчетов приведены нэ фиг, 2 в виде зависимостей квадрата отношения амплитуд электромагнитной волны на расстоянии г от фокуса и в фокальной точке /Ехт/// Ех я=О/з от раоотояния Хдля указанных двух типов тканей при р = 60 и при разных значениях козффицизнта атно. сительного затухания К- -г- Л = у - длиЖ на. волны излучения в диэлектрической -.среде, Ео- расстояние, на котором амплитуда волны уменьшается в е рэз). Видно, что, эффективность фокусировки существенно зависит от характера диэлектрической среды. Так, например, для костных, жировых и мозговых тканей, отличающихся малым влагосодержанием, фокусировка возможна для значительно широкого диапазона коэффициентов относительного затухания (от 0,5 до 1) и глубина проникновения Фокальной области составляет 20-30 см (особенно при 1 с =0,5). Для мышечныхтканей, отличающихся наоборот большим влагосодержанием, фокусировка возможна только при коэффициенте относительного затухания не более 1 (для ср=60) 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-импульса.5 Для предотвращения перегрева поверхностных тканей, несмотря на охлаждение, необходимо ограничение мощности единичного СВЧ-импульса уже на более высоком .уровне, исходя из баланса падающей и по глощенной поверхностью энергий. Еслипредположить, что вся энергия СВЧ-импульса выделяется в поверхностном слое толщинотй го/2, что соответствУет экспоненциальному характеру затухания электромаг нитной волны, то балансовое неравенстводля телесного угла ф при фокусировке наглубину будетрз 2Рф 1. тЪЬТеах+ЬТх)рц20Ь Тгпах + Ь Тх188,32ЦР еЗдесь использовалось соотношениеу А Яо 2 С6)Й, где гад огде Р и гь - плотность мощности и длительность импульса СВЧ-излучения;30 ЬТвах и ЬТх - допустимые значения.перегрева. и охлаждения здоровых поверх, ностных тканей;р, ц - плотность и удельная теплоемкость диэлектрической среды, характеризу ющие поверхностные ткани человеческоготела;о,е- удельная проводимость и относительная диэлектрическая проницаемостьсреды, моделирующей поверхность ткани 40 человеческого тела;А Л-длина волны СВЧ-излучения в ва.кучме и в диэлектрической среде;С, а- скорость света и диэлектрическаяпостоянная вакуума.45 При наложении экспоненциального.профиля тепловыделения на нестационарный профиль температуры в предварительно охлажденных с поверхности поверхностных слоях человеческого тела, 50 может возникать локальный максимум температуры в более глубоких слоях. Для того чтобы данный максимум не превысил допустимого перегрева здоровых тканей, необходимо выбрать достаточную временную 55 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 эф1804793 55 Ьтх 7,04910Ордг г 052 ЬТ рР- где г - параметр фокусировки электромагнитного излучения, определяемый как доля мощности электромагнитной волны, выделившаяся в фокальной области,Приведенные неравенства необходимы для достижения положительного эффекта и фект, Поэтому требуется определенный вы- отсутствия отрицательных последствий гибор величины временной задержки Ьт, пертермического сеанса.Сделаем соответствующие оценки, Примером аппарата, в котором могутНестационарный профильтемпературв быть реализованы заявленные способ и усмомент времени х в теле при непрерывном тройство, является аппарат, содержащийохлаждении его поверхности до температу импульсный СВЧ-генератор с мощностью вры Тх описывается формулой импульсе длительностью 10 с не менее 10Т(Х, г) = Тх+(То - Тх)его( )кВт, и с длиной волны излучения 10 см, а2 а ттакже проточную систему охлаждения погде То - начальная температура тела; а - верхности тела человека до 4 - 5 С (этокоэффициент температуропроводности те может быть осуществлено или водой, илила; Х - расстояние от поверхности тела, глицерином), Антенные элементы, направег(7) - функция ошибок от аргумента 7. ленные на тело человека, должны обеспечиПри Х -ф 0 функция ег ( Х ) с боль вать синфазную фокусировку2 уа у 15 злетромагнитной волны в телесном углешой степенью точности аппроксими я стерад, Такой аппарат позволит имруется двумя первыми членами ряда: пульсно повысить температуру элокачестх 2 венной опухоли размером 2-3 см,его ( 2 тат уа т гт 12 а т) Расположенную на глубине 10-12 см до знаимеющего оптимум при Х= 2 з/ 7 Оче 20 чений 45-47 ОС, что однозначно должно привидно, что если протяженность зорзы про вести к необратимым изменениям эгрева будет меньше, чем Х то Раковых клетках.Длядостижениятребуемолокального максимума температуры не го теРапевтического эффекта тепловое возбудет. Поэтому необходимым ограниче действие может быть повторено, При этомнием для временной задержки тбу температура поверхностичеловеческоготедет неравенство 21/а Ьх 2 или. ла не пРевысит 4344 С, что не вызовет по.вреждений здоровых тканей, Достижениейтх 2:7049 10 -. 3а х 7 О10 -. Здесь ис- подобных гипертермических эффектов неаапользовано соотношение для 7 о, приведденвозможно во всех существ ю их в настояущ ующ х настоя 30 щее время аппаратов ДМВ-терапии.ное выше.Длительность СВЧ-импульса ти и егоФормула изоб етенияР У 3 бретениямощность Р выбираются из условия дости 1, Способ формирования СВЧ-изл чения при гипертермическом воздействии,жения требуемого гипертермического пере- включающий формирование импульсоввых, ограничение длительности имп льсатур и отключение действия СВЧ-изл ченияд С Ч-излученияги временными интервалами меньшими,о и импульса после достижения регист и емымир гистрируемымитемпературами заданных значенийчем время, характерное для процесса Расте- ЛТОП, о т,л и ч а ю и й ямь т,=1 шядр в ледствие теплопро локализации воздействия излучения на глуводности и, во-вторых, пеРегРев фокальной боко расположен еобласти ЬТолх имеющей размеры , где ходи, предварительно осуществляютД, - длина волны излучения в теле человека с ми ованно Вохлаждение области до за анной темпе адо температур, требуемых для поражения 45ажения 45 кусируют в заданной области и производято лучение с задержкой относительно мо 2,мента начала охлаждения, причем плотх 004 ность мощности СВЧ-импульса Р, его8Сз длительность ти , длина волны 20 в вакууи 50 ме СВЧ-излучения идлительность задержкиР, , 2052 Я х между началом охлаждения и СВЧ-им 1. 7 иг 0,52ЛТопх1. 0,52 Л опх РЦд пульсом выбираются из условийти 0,04гЛТмвка + ЛТх ) 188,32Р гиггэгде е,а(м /с ),о(1/Ом м),о(Дж/кг град), р(кгlм ) - относительная диэлектрическая проницаемость, коэффициент температуропроводности, удельная проводимость, удельная теплоемкость и плотность соответственно тканей человеческого тела;- глубина расположения злокачественной опухоли относительно поверхности тела, м;телесный угол, в котором излучение падает на поверхность тела человека, стеРадг - параметр фокусировки СВЧ-излучения в теле человека;ЬТх и ЬТмзкс- допустимое охлаждение и допустимый перегрев здоровых тканей.2. Устройство для формирования СВЧ- излучения при гипертермическом воздействии, содержащее импульсный генераторСВЧ-излучения, систему направленных антенных элементов, связанных с генератором СВЧ-излучения, блок управления5 генератором СВЧ-излучения и системусвязанных с ним датчиков температуры,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюлокализации воздействия на глубоко расположенные злокачественные опухоли, каж 10 дый антенный элемент связан сгенератором СВЧ-излучения через отдельный амплитудно-фазовый преобразовательс регулятором фазового сдвига.З,Устройство по п.2, отл ича ю щее 15 с я тем, что оно снабжено проточной системой охлаждения, имеющей канал, по крайней мере одна стенка которого выполненаиз диэлектрика.4.Устройствопоп.З, отличающее 20 с я тем, что система антенных элементовразмещена на диэлектрической стенке канала системы охлаждения,, 103 Заказ 909 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5