BRPI0206864B1 - antena de microonda coaxial, e, método de construção de uma bobina de reatância com comprimento variável na mesma - Google Patents
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Abstract
"antena de microonda coaxial, método de construção de uma bobina de reatância com comprimento variável na mesma, e, antena para hipertermia". presente invenção relaciona-se a técnicas cirúrgicas minimamente invasivas. ela provê um método para fabricar uma antena para aplicações de microonda de hipertermia aguda percutânea do tipo coaxial de mono-pólo ou dipolo provida com armadilha, comumente chamada bobina de reatância, para bloquear propagação da onda refletida para trás em direção ao gerador. a miniaturização do dispositivo permite um uso minimamente invasivo para hipertemia intersticial em medicina e cirurgia, em particular para oncologia. o método de fabricar a antena provê uma agulha de metal (1) para a introdução da antena (2, 3, 4) no tecido alvo. no condutor externo (4) da antena (2), um colar de metal (6) está conectado em uma posição predeterminada; um envoltório de plástico (5) é aplicado a fim de cobrir o condutor externo (2) na parte entre a alimentação (7) e o colar (6); a parede interna da agulha de metal (1) em que a antena é inserida é então usada para conter e guiar o colar (6) e o envoltório (5); em particular, o colar (6) estando em contato elétrico com a parede interna da agulha de metal (1). uma antena é assim obtida com bobina de reatância de comprimento variável e com diâmetro miniaturizado. um termopar pode ser introduzido pela bobina de reatância que se salienta diretamente na zona de "alimentação".
Description
“ANTENA DE MICROONDA COAX1AL. E. MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DE UMA BOBINA DE REATÂNCIA COM COMPRIMENTO VARIÁVEL NA MESMA” DESCRIÇÃO Campo da Invenção A presente invenção relaciona-se a técnicas cirúrgicas minimamente invasivas, para aplicações imersií ciais, percutâneas* laparoscòpicas, endoscópicas e de intra-cirurgia em medicina e cirurgia, especialmente em oncologia.
Mais precisamente, ela relaciona-se a uma antena de microondas, para hipertermia, operando de 37°C até mais de 100°C, do tipo coaxial de mono-pólo ou dipolo equipado com "armadilha", comumente chamada bobina de reatãricia, para bloquear a propagação da onda refletida que retorna em direção ao gerador.
Além disso, a invenção relaciona-se a um método de construção de uma tal antena.
Descrição da Técnica Anterior Hipertermia em oncologia é uni método usado por mais de 30 anos para tratamento de câncer (Hahn GM, 'Hyperthermia and Câncer, Plenum Press, iri the York’, 1982). Ele consiste em aquecer as células cancerígenas para obter sua neerose diretamente ou com uso adicional de outros métodos, tais como radioterapia, quimioterapia ou outras técnicas cirúrgicas.
Para aquecer tecidos, em particular para tratamento de lesões de superfície, primeiramente ondas eletromagnéticas foram usadas, produzidas por uma fonte localizada fora do corpo humano.
Mais recente mente, dispositivos finos foram usados entre os quais antenas de microonda, operando entre algumas centenas de MHz e alguns milhares de MHz, tipicamente a 2450 MHz, executadas em tubo coaxial, para aplicações intersticiais, percutâneas, laparoscópicas, endoscópicas e de intra-cirurgia, adequadas ao tratamento local de lesões fundas (Iskander MF & Tumeh AM, 'Design Optimization of Interstitial Antennas', 'IEEE Transactions Biomedical Engineering',1989, 238-246).
Tais antenas são normalmente inseridas na lesão a tratar usando cateteres ou agulhas de metal, sob guia ecográfica, TAC, NMR ou outras técnicas de formação de imagem computadorizadas. Elas são adequadas para serem usadas em associação com drogas, ondas ionizantes e/ou com ablação cirúrgica.
Estas antenas de microonda normalmente são fabricadas usando um tubo coaxial flexível ou semi-rígido, adequadamente modificado a uma extremidade, para levar potência de microonda nos tecidos para causar hipertermia.
Na Figura 1, uma seção transversal axial é mostrada de uma antena inserida em uma agulha de biópsia 1. A antena, em sua parte ativa à direita do desenho, está adequadamente configurada como dipolo ou mono-pólo irradiante. Mais precisamente, 2 é o condutor externo do tubo coaxial, 3 é a camada dielétrica que isola o condutor externo do condutor central 4. O ponto indicado com 7 é o ponto de alimentação, isto é, a parte ativa da antena, comumente chamada "alimentação", onde a potência emitida normalmente é máxima.
As superfícies isotérmicas que podem ser obtidas aquecendo um tecido biológico (não cruzado por grandes vasos sanguíneos) com uma antena normal, que por exemplo é feita cortando a uma extremidade uma parte do condutor externo 2 do tubo coaxial e deixando camada dielétrica 3 descoberta, como descrito na Figura 1, têm uma configuração rotacionalmente simétrica. Sua projeção no plano da figura é elíptica, com um máximo central de transmissão, como dito acima, perto de ponto de alimentação 7 da antena, onde a parte distai do condutor externo 2 do tubo coaxial é cortada. A superfície da projeção pontilhada 8 indica uma superfície isotérmica do tecido que está sendo irradiado por este tipo de antena em um caso puramente teórico.
De fato, a impedância da antena nunca é perfeitamente adaptada com aquela do meio no qual opera, devido à variação das características dielétricas do meio, mesmo quando aquecendo, e por outras razões relacionadas com a propagação guiada de uma onda eletromagnética. Durante a entrega de potência de microonda, há sempre uma onda de retomo que retoma ao longo do condutor externo da antena, da extremidade ativa em direção ao gerador, causando um alongamento para trás da figura de aquecimento. A curva tracejada 9 indica a projeção de uma superfície isotérmica prolongada para trás, correspondendo a este efeito. Esta desvantagem previne de adequadamente concentrar a produção de calor perto da parte ativa da antena e é um grande limite ao uso desta técnica.
Para superar esta desvantagem, normalmente a antena é equipada com um dispositivo, chamado bobina de reatância, ou armadilha, freqüentemente usado em antenas de radiodifusão (veja por exemplo Reintjes JF & Coate GT, 'Principies of Radar', McGRAW-Hill Book Company, in the York 1952, p 851), que bloqueia a propagação para trás da potência refletida.
Este dispositivo, indicado com 11 na Figura 2, consiste em uma parte de guia coaxial, de 2λ/4 de comprimento, sendo λ o comprimento de onda das ondas emitidas, obtido arranjando a uma extremidade do condutor externo do tubo coaxial da antena, perto da alimentação 7, um tubo de metal de curto-circuito 12. Na Figura 2, 1 é a guia de agulha da antena, 2 é o condutor externo da antena, 3 é o material isolante e 4 é o condutor central.
Neste caso, a onda refletida para trás, indicada com 13, corre a superfície externa da antena, entra na bobina de reatância 11, se reflete à sua extremidade em um curto-circuito e, depois de um caminho total de λ/2, está novamente à entrada da bobina de reatância, mas em oposição de fase com respeito àquela da entrada, com um resultado de uma intensidade nula. A superfície isotérmica que é obtida quando a antena é equipada com bobina de reatância 11 é indicada pela curva contínua 10 da Figura 2.
De fato, como pode ser visto, a introdução da bobina de reatância 11 causa um aumento significativo do diâmetro da antena, e então de agulha 1, assim limitando suas aplicações quando uma operação invasiva mínima é requerida, tal como por exemplo, em departamentos ambulatoriais, nos tratamentos repetidos, etc.
Por razões de fabricação, e por causa dos limites de resistência do material, a dimensão radial da bobina de reatância não pode ser reduzida sob certos limites.
Além disso, no caso de mudança das características dielétricas do meio causadas pela variação da temperatura durante o tratamento, ou no caso de variação da freqüência da antena, como quando um gerador de microondas com freqüência ajustável, a bobina de reatância não pode ser alongada ou encurtada, a fim de sempre ser cerca de um quarto do comprimento de onda. A impedância das bobinas de reatância existentes é portanto fixa, por meio de que a eliminação da onda de retomo não pode ser totalmente efetiva quando a temperatura operacional é mudada.
Uma aplicação de hipertermia é, além disso, normalmente associada a uma medição da temperatura local. Na realidade, é necessário para medir a temperatura de aquecimento das lesões de câncer, ou outras lesões a tratar, para preservar os tecidos saudáveis adjacentes e para controlar a potência de aquecimento real da antena.
Normalmente, na região de operação, um sensor de temperatura é inserido (indicado com 20 na Figura 2). Por exemplo, termopares de metal são usados. Porém, eles não podem ser introduzidos durante a entrega de energia pela antena, devido às correntes parasitas no metal de termopar, que sobre aquece assim afetando a medição. Além disso, a presença de um termopar muda a distribuição do campo de microondas, mudando o padrão de aquecimento. Portanto, a medição de temperatura com um termopar de metal deve ser feita com a desvantagem de paralisar freqüentemente a entrega de energia. Altemativamente, sensores de fibra óptica são conhecidos não terem nenhum metal e não são afetados pelo campo ou não o perturbam, mas têm a desvantagem de serem caros e frágeis. Em ambos os casos de termopares de metal ou sensores de fibra óptica, há a desvantagem adicional de introduzir um cateter adicional para guiar o sensor na região de operação.
Sumário da Invenção É o objetivo da presente invenção prover uma antena de microonda coaxial para aplicações em medicina e cirurgia que é provida com armadilha, ou bobina de reatância, para bloquear a propagação para trás da onda refletida em direção ao gerador, em que uma miniaturização desta armadilha com respeito à técnica anterior é possível, a fim de permitir o uso para aplicações minimamente invasivas. É outro objetivo da presente invenção prover uma antena que, no caso de variação do comprimento de onda do meio, permite a bobina de reatância ser alongada ou encurtada para uma operação mais correta. É um objetivo adicional da presente invenção prover uma antena que permite uma medição de região de operação de temperatura. É um objetivo adicional da presente invenção prover um método para a produção de um uma tal antena que permite esta miniaturização com construção simples.
Estes e outros objetivos são alcançados pela antena de acordo com a presente invenção, que pode ser inserida em uma agulha de metal necessária para a introdução da antena no tecido alvo, a antena tendo: - um condutor interno; - uma camada dielétrica que cobre o condutor interno por todo seu comprimento; - um condutor externo que cobre coaxialmente a camada dielétrica, exceto de uma parte de extremidade; - uma bobina de reatância montada fora do condutor externo perto da parte de extremidade, a bobina de reatância incluindo uma parte condutora coaxial de diâmetro mais alto do que o condutor externo; - um colar condutor para conectar o condutor coaxial ao condutor externo, o colar condutor sendo arranjado ao longo da parte condutora coaxial oposta à parte de extremidade; a característica da antena sendo que a parte condutora coaxial da bobina de reatância consiste na mesma agulha de metal.
Vantajosamente, o colar está em contato deslizante com a agulha, por meio de que o comprimento da bobina de reatância pode ser mudado.
Preferivelmente, perto do colar e adjacente à parte de extremidade, a antena tem um envoltório de plástico que é uma camada dielétrica na bobina de reatância. O envoltório pode ser de material anti-adesivo e de comprimento que se salienta da agulha, prevenindo a parte exterior de se aderir a tecidos durante o tratamento de aquecimento de alta temperatura.
Vantajosamente, um termopar é provido conectado à bobina de reatância e ao envoltório, dito termopar estando em contato com o condutor externo de dito tubo coaxial e tendo a extremidade sensível que sai de dito envoltório se salientando na zona de alimentação da antena.
De acordo com outro aspecto da invenção, um método de construção de uma bobina de reatância com comprimento variável em uma antena coaxial, a antena sendo inserida em uma agulha de metal necessária para a introdução da antena no tecido alvo, a antena tendo: - um condutor interno; - uma camada dielétrica que cobre o condutor interno por todo seu comprimento; - um condutor externo que cobre coaxialmente a camada dielétrica, exceto de uma parte de extremidade; a característica sendo aquela de prover na antena um colar condutor perto da parte de extremidade, por meio de que o colar condutor desliza na agulha de metal.
Preferivelmente, perto do colar adjacente à parte de extremidade, um envoltório de plástico é arranjado na antena que é uma camada dielétrica na bobina de reatância. O envoltório e a camada dielétrica da antena são vantajosamente de PTFE. O colar pode ser feito de metal soldado ao condutor externo da antena.
De acordo com um aspecto adicional da invenção, uma antena para hipertermia, que pode ser inserida em uma agulha de metal necessária para a introdução da antena no tecido alvo, inclui: - um condutor interno; - uma camada dielétrica que cobre o condutor interno por todo seu comprimento; - um condutor externo que cobre coaxialmente a camada dielétrica, exceto de uma parte de extremidade; - uma bobina de reatância montada fora do condutor externo perto da parte de extremidade, a bobina de reatância incluindo uma parte condutora coaxial de diâmetro mais alto do que o condutor externo; a característica sendo de prover um termopar conectado à bobina de reatância, dito termopar estando em contato com dito condutor externo e tendo a extremidade sensível que sai de dita bobina de reatância e se salienta na zona de alimentação da antena.
Breve Descrição dos Desenhos Características e vantagens adicionais da antena de microonda intersticial e do método para sua produção, de acordo com a presente invenção, serão feitas mais claras com a descrição seguinte de uma concretização dela, de exemplo, mas não limitativa, com referência aos desenhos anexos adicionais, em que: Figura 3 mostra uma vista axial secional de uma antena segundo a invenção;
Figura 4 mostra uma vista explodida da antena da Figura 3;
Figura 5 mostra a antena da Figura 3 à qual um termopar é adicionado que cruza a bobina de reatância e se salienta na zona de alimentação.
Descrição de uma Concretização Preferida Na Figura 3, uma seção transversal axial é mostrada de uma antena de acordo com a invenção, inserida em um tubo de metal que consiste em uma agulha de biópsia 1, por exemplo uma agulha de calibre 14, de diâmetro exterior = 2,1 mm. A antena, em sua parte ativa à direita da figura, é um dipolo ou mono-pólo irradiante. Mais precisamente, a antena é formada por um tubo coaxial tendo um condutor externo 2, por uma camada dielétrica 3 e por um condutor central 4 imerso na camada dielétrica 3 que isola do condutor externo 2. O condutor externo 2, como bem conhecido, ponto de extremidade indicado com 7, que é o ponto de alimentação da parte ativa da antena, dita alimentação em termo técnico, onde a potência emitida normalmente é máxima.
De acordo com a invenção, é provido um envoltório de plástico 5 e um colar de metal 6. Mais precisamente, este resultado pode ser obtido: - soldando no condutor externo da antena 2 o colar de metal 6 em uma posição predeterminada; - arranjando o envoltório de plástico 5 que cobre o condutor externo 2 na parte que vai de alimentação 7 até colar 6; - usando a parede interna da mesma agulha de metal 1, em que a antena é inserida para conter e guiar o colar 6 e o envoltório 5, em particular, o colar 6 estando em contato elétrico com a parede interna da agulha de metal 1. A invenção permite fazer de um modo fácil e não caro uma antena de microonda miniaturizada equipada com bobina de reatância, adequada para tratamento local de lesões fundas em medicina e cirurgia. Na realidade, em combinação com a agulha de metal 1, o colar 6 e o envoltório 5 permitem obter uma bobina de reatância de comprimento variável e feita reduzindo ao mínimo o aumento do diâmetro exterior da antena.
Como a bobina de reatância da Figura 2, na realidade, na Figura 3, a onda 13 é refletida de volta a partir da alimentação 7 e corre a superfície externa da antena, entra na bobina de reatância formada entre a agulha 1 e o condutor externo 4, se reflete no colar 6 em curto-circuito e, depois de um caminho total de λ/2, está novamente na entrada da bobina de reatância em oposição de fase com respeito à onda na entrada, obtendo uma intensidade nula. A variação de comprimento de onda no caso de elevação de temperatura, ou outra causa, pode ser corrigida variando a posição do colar 6 com respeito à agulha 1, de forma que a bobina de reatância sempre seja de λ/4 de comprimento. Dentro de uma certa faixa, a variação de impedância da antena durante a operação pode ser compensada do mesmo modo mudando o comprimento da bobina de reatância e então da parte entre a bobina de reatância e a alimentação. A superfície isotérmica que é obtida quando a antena é equipada com a bobina de reatância de acordo com a invenção também é mostrada neste caso pelo tubo axial de curva tracejada da antena, e a parede interna 1 da guia de agulha por qual a antena é inserida.
Mais precisamente, o colar de metal 6 mantém o contato elétrico com a parede interna da guia de agulha 1 e é assim um desvio móvel.
Envoltório 5 tem, então, as funções seguintes: - é uma guia de onda coaxial de λ/4 de comprimento provendo uma bobina de reatância efetiva para a antena; - é um elemento centralizador para o deslizamento na agulha de antena; - na parte exterior à bobina de reatância, a adesão de tecidos é evitada durante o tratamento de aquecimento de alta temperatura, e não permite seu contato com superfícies de metal diferentes da guia de agulha dentro de qual a antena desliza.
Com referência à Figura 5, de acordo com uma concretização diferente da invenção, um termopar é provido 21, conectado ao colar 6 e ao envoltório 5 que forma a bobina de reatância. Termopar 21 está em contato com o condutor externo 2 do tubo coaxial que forma a antena, e tem sua extremidade sensível 22 que sai do envoltório 5 se salientando na zona 10 de alimentação da antena. A outra extremidade de termopar está conectada a um instrumento de medição de temperatura não mostrado por meio de uma tomada 23.
De acordo com a invenção, termopar 21 não afeta a operação da antena. Na realidade, o termopar é integral ao metal do condutor coaxial exterior 2. Portanto, termopar 22 é praticamente blindado.
Termopar 21 pode ser um termopar de metal comum, formado por um envoltório de metal na qual condutores diferentes de metal são unidos à extremidade sensível 22. Tal termopar de metal não é muito caro, muito menos do que sensores de fibra óptica (por exemplo, sensores ópticos de fluoreto).
Uma vantagem adicional de termopar 21 é aquela de um termopar externo que não tem que ser inserido por um cateter adicional à parte e, especialmente, a medição pode ser feita diretamente na região de operação durante a entrega de alimentação que produz a hipertermia.
Termopar 21 pode ser posto também em antenas de hipertermia diferentes daquela mostrada nas Figuras de 3 a 5. A descrição precedente de uma concretização específica assim completamente revelará a invenção de acordo com o ponto de vista conceituai, de forma que outros, aplicando conhecimento atual, serão capazes de modificar e/ou adaptar para várias aplicações, tal como uma concretização sem pesquisa adicional e sem partir da invenção, e portanto é para ser entendido que tais adaptações e modificações terão que ser consideradas como equivalentes à concretização específica. Os meios e os materiais para realizar as funções diferentes descritas aqui poderíam ter uma natureza diferente sem, por esta razão, partir do campo da invenção. É para ser entendido que a nomenclatura ou terminologia empregada aqui é para o propósito de descrição e não de limitação.
REIVINDICAÇÕES
Claims (9)
1. Antena de microonda coaxial para aplicações intersticiais, percutâneas, laparoscópicas, endoscópicas e de intra-cirurgia em medicina e cirurgia, em espécies para hipertermia aguda em oncologia, que pode ser inserida em urna agulha de metal (I) para introdução em um tecido alvo, dita antena tendo: - um condutor interno (4); - uma camada dielétrica (3) que cobre o condutor interno (4) por todo seu comprimento; - um condutor externo (2) que cobre coaxialmente a camada dielétrica (3), exceto de uma parte de extremidade; - uma bobina de reatância montada fora do condutor externo (2) perto de dita parte de extremidade, dita bobina de reatância incluindo uma parte condulora coaxial de diâmetro mais alio do que o condutor externo; - um colar condutor (6) para conectar dito condutor axial ao condutor externo, dito colar condutor (6) sendo arranjado ao longo de dita parte condulora coaxial oposta à dita parte de extremidade;
2. caracterizada pelo fato de que a parte condutora coaxial da bobina de reatância consiste em dita agulha de metal (ΟΙ. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que dito colar (6) está em contato deslizante com dita agulha, por meio de que o comprimento da bobina de reatância pode ser mudado.
3. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que próximo a dito colar (6) adjacente à dita parte de extremidade um envoltório de plástico (5) é provido que é uma camada dielétrica na bobina de reatância.
4. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que dito envoltório (5) é de material anti-adesivo e tem um comprimento que se salienta da agulha, prevenindo a parte exterior de se aderir a tecidos durante o tratamento de aquecimento de alta temperatura.
5. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um termopar é provido conectado ao colar (6) e ao envoltório (5) que forma a bobina de reatância, dito termopar (21) estando em contato com o condutor externo (2) de dito tubo coaxial e tendo a extremidade sensível (22) que sai de dito envoltório (5) se salientando na zona (10) de alimentação da antena.
6. Método de construção de uma bobina de reatância com comprimento variável em uma antena de microonda coaxial para aplicações intersticiais, percutâneas, laparoscópicas, endoscópicas e de intra-cirurgia em medicina e cirurgia, em espécies para hipertermia aguda em oncologia, dita antena sendo inserida em uma agulha de metal (1) necessária para introdução em um tecido alvo, dita antena tendo: - um condutor interno (4); - uma camada dielétrica que cobre o condutor interno (4) por todo seu comprimento; - um condutor externo que cobre coaxialmente a camada dielétrica, exceto de uma parte de extremidade; caracterizado pelo fato de prover em dita antena um colar condutor (6) perto de dita parte de extremidade, por meio de que dito colar condutor (6) desliza em dita agulha de metal (1).
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que próximo a dito colar (6) adjacente à dita parte de extremidade, um envoltório de plástico (5) é provido na antena que é uma camada dielétrica interna à dita bobina de reatância.
8. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que dito envoltório (5) e a camada dielétrica da antena são de PTFE.
9. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que dito colar (6) é feito de metal soldado ao condutor externo (2) da antena.
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