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Behandlungselektrode zur Erzeugung eines hochfrequenten
Feldes für die Durchwärmung von Stoffen, insbesondere von biologischen Geweben
Für die Anwendung hochfrequenter Felder zur Durchwärmung von Stoffen, insbesondere von biologischen Geweben, sind die folgenden drei Möglichkeiten bekannt :
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trikum im hochfrequenten elektrischen Feld zwischen isolierten Elektroden,
2) Spulenfeldmethode (Wirbelstrombehandlung) ; dabei befindet sich das Behandlungsobjekt im hochfrequenten magnetischen Feld einer Spule.
3) Strahlenfeldmethode ; dabeibefindet sich das Behandlungsobjekt im Nah- oder Fernfeld eines elek - tromagnetischen Strahlers.
Bei bekannten Elektroden für die Kondensator- und die Spulenfeldbehandlung liegen die oberen Grenzen für die praktisch sinnvoll anzuwendendenFrequenzenbeietwa 300 MHz bzw. 50 MHz. Diese Grenzen werden eingehalten, weil bei höheren Frequenzen unerwünscht hohe Strahlungsverluste auftreten. Oberhalb der Frequenz von 300 MHz sind bisher für Behandlungen nur elektromagnetische Strahler verwendet worden. Die Behandlung von Objekten im Feld solcher Strahler erfordert für Lokalbehandlungen (Behandlung begrenzter Teile von Objekten) entweder sehr hohe Frequenzen (Wellenlänge in Luft zirka 10 cm) oder eine Verkürzung des Dipols durch Einbettung in Stoffe hoher Dielektrizitätskonstante.
Beide Möglichkeiten sind für die Anwendung nicht sehr vorteilhaft, da einmal die Eindringtiefe und die Entlastung des Fettgewebes bei hohen Frequenzen nur gering sind und zum andern durchEinbettung verkürzte Strahler bei der üblichen Ankopplung an das Behandlungsobjekt über Luft an der Grenzschicht zwischen Einbettungsstoff und Luft starke Verluste durch Refelxion ergeben.
Die Erfindung strebt an, die vorgenannten Nachteile der Strahlenfeldmethode zu vermeiden, u. zw. durch ein Aufbauprinzip für eine zum Betrieb mit hochfrequenten Strömen über 300 MHz geeignete Behandlungselektrode, das es gestattet, die räumlichen Abmessungen der Elektrode bei gegebener Frequenz des erregenden Stromes in weiten Grenzen beliebig zu wählen, damit der Konstrukteur in einfacher Weise einem Hochfrequenzgenerator den verschiederen Behandlungsfällen optimal angemessene Elektroden zuordnen kann.
Das angegebene Ziel lässt sich ausgehend von einem bekannten Elektrodenaufbau, bestehend aus einem äusseren hohlkörperartigen, mit einer Öffnung versehenem Leitergebilde und aus inneren Leiterteilen, sowie zwei Stromzuführungsanschlüssen, erfindungsgemäss dadurch erreichen, dass der Elektrodenaufbau so dimensioniert ist, dass er für die vorgesehene Frequenz des erregenden Hochfrequenzstromes als Topfkreis wirkt, wobei die Enden der mit verschiedenen Stromzuführungsanschlüssen verbundenen inneren Leiterteile im Zusammenwirken mit den ihnen benachbarten Teilen oder inneren Ansätzen des äusseren Leitergebildes die Schwingkreiskapazität des Topfkreises bilden und mindestens angenähert in der Ebene der Öffnung des äusseren Leitergebildes angeordnet sind.
Der als bekannt geschilderte Elektrodenaufbau ist für die eingangs erwähnte Strahlerfeldmethode üblich. Hiebei ist ein Dipol im Innern eines zylinderartigen Gehäuses untergebracht, das mit einer stirn- seitigen Abstrahlöffnung versehen ist. Es ist dabei zwar der Dipol auf die Frequenz des erregenden Hoch-
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frequenzstromes abgestimmt, nicht aber das äussere Leitergebilde. Dessen Abmessungen sind vielmehr im Hinblick auf die Frequenz des erregendenHochfrequenzstromes nur gross genug gewählt, dass sich in ihnen fortschreitende elektromagnetische Wellen ausbilden können, die durch die Öffnung abgestrahlt werden.
Die Elektrode nach der Erfindung ist demgegenüber aus einem an sich bekannten für dm-und cm-Wel- len als Schwingkreis wirkenden Gebilde (Topfkreis) entwickelt. Unter Topfkreis wird dabei ein elektrisch leitendes Gebilde verstanden, das aus einem eine flächenhafte Induktivität darstellenden Hohlkörper (Aussenleiter) und einem im Innern des Hohlkörpers angeordneten Bauteil (Innenleiter) besteht, dessen Enden im Zusammenwirken mit den ihm benachbarten Teilen oder inneren Ansätzen des Hohlkörpers die Schwingkreiskapazität des Topfkreises bilden. Die Anregung des Topfkreises kann in bekannter Weise durch einen Hochfrequenzgenerator erfolgen, dessen Energie galvanisch, kapazitiv oder induktiv in den Hohlkörper eingekoppelt wird.
Bei Anregung desTcpfkreises, dessen elektrische Hohlraumlänge für optimale Verhältnisse ein ganzzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge des benutzten hochfrequenten Erregerbtromes betragen muss, wird der'dem freigelegten Innenleiter vorgelagerte Raum, der zur Aufnahme des Behandlungsobjektes dient, von einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld erfüllt. Dieses Feld entspricht etwa dem Nahfeld einesDipolstrahlers, wobei jedoch die magnetischen Feldlinien stärker ausgebildet sind als die elektrischen. Bringt man in diesen Raum das Behandlungsobjekt, so bildet dieses den fehlenden, mit Verlusten behafteten Teil des Aussenleiters des. Topfkreises.
Wird der Topfkreis zu elektromagnetischen Schwingungen angeregt, so dringt die hiebei entstehende elektromagnetische Feldenergie praktisch nur in das der Öffnung des Topfkreises vorgelagerte Gebiet ein und erwärmt somit das Behandlungsobjekt.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemässen Elektrode besteht also darin, Lokalbehandlungen (Behandlung eng begrenzter Gebiete) an biologischen Objekten mit elektromagnetischer Feldenergie ohne Zwischenschalten eines verlustarmen Verkürzungsmediums durchführen zu können. Dabei kann die Wellenlänge des die elektromagnetische Feldenergie erzeugenden Hochfrequenz-Generators in Luft beträchtlich grösser sein (etwa fünf-bis zehnmal) als die linearen Ausdehnungen des zu behandelndenGebietes.
Die besonders für die Wärmetherapie günstigen Eigenschaften des Strahlenfeldes längerer elektromagnetischer Wellen-grosse Wärmeentlastung des Unterhautfettgewebes, starke Erwärmung und grosse Tiefenwirkung im Muskelgewebe - bleiben beim Gegenstand der Erfindung erhalten.
Das angegebene Konstruktionsprinzip gestattet es, bei gegebener Frequenz des zur Verfügung stehenden Hochfrequenzgenerators die Abmessungen der für verschiedene Behandlungsfälle erforderlichen Elektroden freizügig zu bemessen. Die Abstimmung der Elektroden auf die gegebene Generatorfrequenz lässt sich insbesondere durch eine unterschiedliche Ausbildung der kapazitiv wirkenden Bauteile, die Anpassung an die Energieleitung des Hochfrequenzgenerators durch bekannte Transformationsglieder erreichen.
In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
In den beigefügten Fig. 1 - 11 sindBehandlungselektroden für medizinische Zwecke dargestellt, deren Grundaufbau aus einem metallischen Hohlzylinder besteht. Die erfindungsgemäss vorgesehene Öffnung ist entweder in der Mantelfläche (Fig. 1 - 7) oder in einer Stimfläche (Fig. 8-11) des Zylinders vorgesehen.
In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt und in der Fig. 2 ein Querschnitt durch eine zylinderförmige Elektrode mit beiderseits geschlossenen Stirnflächen dargestellt. (Der Hohlzylinder könnte an den Stirnseiten auch offen sein, doch erreicht man durch einen geschlossenen Hohlzylinder eine gedrungenere Bauform).
Die Mantelfläche l des Hohlzylinders ist durch eine Öffnung 2, die etwa einem Zentriwinkel von 1200 entspricht, unterbrochen. Gegenüber dieser Öffnung 2 ist in den Hohlzylinder die konzentrische Anschlussleitung 3 eingeführt, deren Innen- und Aussenleiterenden mit je einem Blechstreifen 4,5 galvanisch verbunden sind. Diese Blechstreifen bilden den Innenleiter der Elektrode. Sie sind in einer Geraden hintereinander und parallel zur Hohlzylinderlängswand derart orientiert, dass sie etwa auf der Höhe der durch die Öffnung 2 entstandenen Kanten 6,7 der Hohlzylindermantelfläche 1 liegen. Die Anschlussleitung 3 kann zur Anpassung der Elektrode an den Wellenwiderstand des Energiekabels einen bekannten Leitungstransformator 3a enthalten.
Das Behindlungsfeld der Elektrode erfüllt etwa den Raum zwischen den freigelegten Teilen 8,9 der Zylinderstirnwände und ist in der Fig. l gestrichelt angedeutet. Um bei gleicher Frequenz des Generatorstromes zu kleineren Elektroden und damit zu kleineren Behandlungsfeldern zu kommen, muss man bei kleineren Hohlzylinderabmessungen, d. h. bei kleinerer Eigeninduktivität der Elektrode, deren kapazitiv wirkende Teile vergrössern.
In den Fig. 3 und 4 ist-wiederum durch einen Elektroden-Längsschnitt und-Querschnitt-dargestellt, dass dies durch verbreiterte Innenleiter-Blechstreifen 10, 11 und an diese
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trodenabmessungen ist in den Fig. 5 - 7 veranschaulicht, die einen Längsschnitt (Fig. 5) und Querschnitt (Fig. 6) durch eine erfindungsgemässe Behandlungselektrode sowie eine Draufsicht auf deren Zylindermantelöffnung (Fig. 7) darstellen. Bei teilweise abgeschnittenen Zylindersürnflächen sind an den geraden Schnittkanten dieser Stirnflächen rechtwinklig zu diesen in das Elektrodeninnere ragende Bleche 14, 15 angebracht, denen mit Abstand zum freien Ende zu verbreiterte Innenleiter-Blechstreifen 16, 17 vorgelagert sind.
Für eine Wellenlänge der anregenden Schwingung von 65 cm soll eine Elektrode der zuletzt beschriebenen Form folgende Abmessungen aufweisen :
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Blechstreifen 16, 17 = 0,2 cm.
In der Fig. 8 ist im Längsschnitt und in der Fig. 9 im Querschnitt eine gleichfalls zylinderförmige Elektrode dargestellt, bei der jedoch im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen eine Stirnseite des Zylinders geöffnet ist und der Innenleiter parallel zu dieser Stirnseite verläuft. Im übrigen entspricht die Anordnung des Innenleiters der Anordnung nach Fig. 5 - 7. Entsprechende Bauteile beider Anordnungen sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das bereits erwähnte Transformationsglied für die Anpassung der Elektrode an den Wellenwiderstand
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richtige Bemessung dieses Gliedes kann mit Hilfe einer an sich bekannten Messleitung, mit der der Fusspunktwiderstand der Elektrode bestimmt werden kann, vorgenommen werden. Wie sich bei dei Entwicklung der Elektroden gezeigt hat, ist der betriebsmässige Fusspunktwiderstand einer solchen Elektrode im allgemeinen nicht konstant, sondern Betrag und Phase dieses komplexen Widerstandes und damit auch die vom Hochfrequenzgenerator abgegebene Hochfrequenzleistung ändern sich beträchtlich mit dem Abstand des Objektes von der Elektrode.
Um diesen Nachteil zu beheben, wird in Weiterbildung der Erfindung eine derartige Dimensionierung der Elektrode angestrebt, dass ihr betriebsmässiger Fusspunktwiderstand bei einer Abstandsänderung des Objektes praktisch konstant bleibt. Die einmal richtig an den Hochfrequenzgenerator angepasste Elektrode strahlt dann in jedem Fall unabhängig vom Objektabstand die gesamte Leistung ab, die der Hochfrequenzgenerator zu liefern vermag. Der vom Objekt aufgenommene Anteil der von der Elektrode abgestrahlten Hochfrequenzleistung ist dann eine Funktion des Objektabstandes.
In der Fig. 10 ist im Längsschnitt und in der Fig. 11 in der Frontalansicht eine Elektrode mit dieser Eigenschaft dargestellt. Die Anordnung des Innen-und Aussenleiters dieser Elektrode entspricht im wesentlichen der Elektrode nach den Fig. 8 und 9 und ihre Einzelteile sind insoweit durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die kapazitive Verbindung zwischen dem Innenleiter und dem Aussenleiter ist hier jedoch durchBlechstreifen 18, 19 geschaffen, die parallel zu der Zylindermantelfläche 1 des Aussenleiters verlaufen und nicht nur in den Zylinder hineinragen, sondern auch nach vorn aus dem Zylinder herausragen.
Bei einer derartigen Elektrode, ändert sich der Fusspunktwiderstand nur unwesentlich, wenn der Abstand des Behandlungsobjektes von der Elektrode bis auf etwa einen Wert von-geändert wird. Der Hochfrequenzgenerator arbeitet dann praktisch auf einem konstanten Verbraucherwiderstand undgibt bei jedem Objektabstand die gleiche Hochfrequenzleistung ab. Dieses Ergebnis liesse sich sonst nur durch besondere Regelmittel erzielen. Die vom Behandlungsobjekt aufgenommene Hochfrequenzleistung ist dabei nur noch abhängig von dem Objektabstand, d. h. sie nimmt stetig zu, wenn sich das Behandlungscbjekt der Elektrode nähert, und sie nimmt ab, wenn es sich davon entfernt.
Bei sehr geringen Objektabständen besteht die Gefahr, dass dem Behandlungsobjekt eine zu grosse, schädliche Hochfrequenz-Dosis zugeführt wird, wenn die vom Hochfrequenzgenerator abgegebene Hochfrequenzleistung weiterhin konstant bleibt. Um dies zu vermeiden, ist die Elektrode nach Fig. 10 und 11 so gestaltet, dass ihr Fusspunktwiderstand schnell hochohmige Werte annimmt und die abgestrahlte Hochfrequenzleistung damit entsprechend abfällt, wenn der Objektabstand unter den Wert absinkt. Die aus
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19Die Elektrodenöffnung wird zweckmässig mit einer isolierenden verlustarmen Kunststoffabdeckung 20 verschlossen (in Fig. 10 strichpunktiert angedeutet), um zu verhindern, dass das Behandlung30bjekt mit den Innenteilen der Elektrode in Berührung kommt.
Eine solche Kunststoffabdeckung kann gleichzeitig als Stützfläche für den Patienten dienen. Im Falle der Elektrode nach Fig. 10 ist die Abdeckung 20 so bemessen, dass sie den Raum unzugänglich macht, in dem der Abfall der in das Objekt übertragbaren Energie beginnt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. ElsJktrcde zurErzeugung eines hochfrequenten Feldes für die Durchwärmung von Stoffen, insbeson-
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