CN87104889A - 利用高频电流的电介质加热生命体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在第一电极和第二电极间提供高频电流的高频加热方法。该第一电极装在第一电极结构内，其构成使它能置于待加热部分附近，它周围有一柔软而密封的袋状件，该第二电极装在第二电极结构内，其构成使它能置于人体的外围，其电极面积比第一电极的大5倍或更多，由此在第一电极结构附近形成一个较强的场分布，而且有选择地加热第一电极结构周边处的待加热部分，其中向袋状部件提供和从它排出的冷却液温度在37℃～43℃之间。

Description

本发明涉及一种利用电磁波及相关器件加热生命体的方法和设备。

用电磁波加热生命体的方法是利用施加到生命体上的电磁波在生命体内各部分被吸收时会产生热量这一现象，近年来已有许多这种方法对恶性肿瘤治疗效果的研究报告。

在常规的高频加热方法中，把包括生命体待加热部分在内的区域放置在两个相对的板状电极之间，由一个高频能源在这两个电极间加上高频电流，由此进行温热疗法。

如果待加热部分位于生命体内部深处，那么用这种方法将该部分加热到治疗所需要的温度一直是很困难的，因为在两个相对电极之间的区域中基本上都有同样有高频电流通过，从而使其中除待加热部分外的其他部分也可能被加热，并且因为皮下脂肪层和体内器官组织间的电学常数（电导率，介电常数）存在的差别，而使皮下脂肪层往往比体内器官组织加烈得更加厉害，此外还因为皮下脂肪层中产生的热量比电极附近部分中产生的热量更多，而存在着病人抱怨对热的不舒服感觉或者烧伤病人表皮组织的危险，等等。

鉴于上述这些因素，已提出一种利用二个电极结构的方法，它们由第一个电极和第二个电极组成。第一个电极周围是一个柔软且密封的、由硅橡胶或类似物制得的袋状部件，它有一个向袋状部件内供应和从它向外排出冷却液的机构。把该第一个电极结构（加热电极结构）放在待加热部分的附近，而把具有一个第二电极（不灵敏的电极结构）的第二个电极结构放在人体的外围，该电极的表面比第一个电极的大几倍或更多些，在这两个电极间提供一个高频电流，由此在第一个电极结构附近形成一个强电场分布，有选择地加热待加热的部分，并根据由位于袋状部件外表面处的温度传感器获得的信息，来控制人体表面处的温度，或者控制产生的高频功率。

但是在上述方法中，例如在利用水作为冷却液的场合，温度传感器给出的指示会受到冷却用的冷却液的温度或其引入量的影响，这会导致不是所需要的过热或过冷，因此不能保证有效地加热疾患部分。

所以，目前一直强烈地希望能研究出一种方法和一种器件，它能够加热疾患部分而又不使病人感觉到热或者痛苦，且在用电磁波对人体加热的同时能进行定量的控制。

鉴于上述存在的情况，我们完成了本发明，其目的是提供一种加热的方法和器件，它根据位于电极外表面处的温度传感器的信息能够消除病人的热和痛苦的感觉，也能够进行安全而有效的人工加热。

按照本发明，利用由高频电流加热人体的方法能够达到上述目的，该方法包括在第一个电极和第二个电极之间提供高频电流，安置在第一个电极结构中的第一个电极适合于放置在待加热部分附近，其周围有一个柔软而密封的袋状部件，安置在第二个电极结构中的第二个电极适合于放置在人体的外围，其电极面积比第一个电极的大五倍或更多些，由此在第一个电极结构附近形成一个比较强的电场分布，有选择地加热在第一个电极结构周边处的待加热部分狂同时又通过向袋状部件提供和从它排出冷却液来冷却放置第一个电极结构处的那部份人体，向袋状部件提供和从它排出的冷却液的物理性质与放置第一个电极结构处那部分人体组织的物理性质相近，在第一个电极结构一侧，冷却液每分钟循环的量是袋状部件内部体积的1～15倍。

下面参看附图来详细说明这些目的和其它目的，以及本发明的优点。在附图中，

图1和图2是高频加热系统的概念的说明图。

图3是按照本发明设备的优选的具体装置的示意说明图。

图4是沿图3中线Ⅳ-Ⅳ取的剖面的说明图。

图5是图3中所示的第一个电极结构的详细说明图。

图6是沿图5中线Ⅵ-Ⅵ取的剖面的说明图。

图7是袋状部件缩时沿图5中线Ⅶ-Ⅶ取的剖面图。

图8是图3中所示的第二个电极结构的说明图。

图9是沿图8中线Ⅸ-Ⅸ取的剖面的说明图。

图10和11是在根据本发明的优选装置中时间和温度指示之间关系的说明图。

图12和13是在一个作比较用的装置中时间和温度指示之间关系的说明图。

在常规的高频加热方法中，例如图1和2中所示的，为治疗目的由人工引起的高热是通过把包括人体1的待加热部分作为靶子在内的区域3放在两块相对的板状电极4和5之间，并由一个高频能源6在电极4和5之间加上一高频电流来进行的。

如果待加热部分2位于人体内部深处，那么用这种方法将该部分加热到治疗所需要的温度一直是很困难的，因为在两个相对的电极之间的区域中基本都同样有高频电流流过，从而使其中除待加热部分之外的其他部分也可能被加热，因为皮下脂肪层7和体内器官组织之间电学常数（电导率、介电常数）存在的差别，而使皮下脂肪层往往比体内器官组织加热得更厉害，还因为皮下脂肪层中产生的热量比较多，就存在着病人抱怨有热的不舒服感觉或者烧伤病人表皮组织的危险等等。

本发明中所指出的第二个电极结构（不灵敏的电极结构）就象日本专利申请公开号Sho60-55966中所揭示的电极结构，它具有的第二个电极的电极表面积通常比第一个电极结构（加热电极结构）的第一个电极大5倍，最好大10倍或更多些，这样当它与第一个电极结构的第一个电极一起使用时，它对人体只有相当小的加热效应。第一个电极结构（加热电极结构）的大小使得它能放置在待加热部分旁边，例如象食道、胃、阴道等这样的人体体内器官部分中，或者放置在乳房疾患部分的表面，通过在装入第一个电极结构中的第一个电极和第二个电极结构的第二个电极之间提供一个高频电流，由此在第一个电极结构附近形成一个强电场分布，这样它能够有选择地加热所希望的人体组织。

现在来说明其物理性质与待加热的人体组织的物理性质相类似的冷却液。

也就是说，如果在一对电极之间施加一个频率为f的高频电压，而把一种介电常数为ε、损耗因子为tanδ的材料放在它们之间时，单位体积该材料所吸收的电功率P（W）由下式表示：

P＝K·f·E²·ε·tanδ （W） （1）

式中E表示材料中的电场强度，K是比例常数。

当高频电压施加在面积较小的第一个电极（象体内器官电极这样的加热电极）和面积较大的第二个电极（象体外电极这样的不灵敏电极）之间时，在面积较小的第一个电极（加热电极）周边处电场强度较大，它随着与第一个电极距离的增大而衰减。但是，由于场强度衰减的方式随着电极的形状和构形以及放在电极间材料的物理性质而有所不同，所以一般不能确定电场强度。不过，如果已知电极的形状和构形以及电极间材料的物理性质，则能够计算出电场强度。

假设在组成袋状部件的薄膜外人体组织的介电常数是ε_T，损耗因子是tanδ_T，以及它邻近处的电场强度是ET，则在那里所吸收的电功率P_T表示为：

P_T＝K·f·E² _T·ε_T·tanδ_T

另一方面，假设冷却液中的电场强度、介电常数和损耗因子分别是E₀、ε₀、和δ₀，则冷却液中吸收的电功率表示为：

P₀＝K·f·E² ₀·ε₀·tanδ₀

通过适当地选择冷却液的介电常数ε₀和功率损耗因子tanδ₀能够大体上使第一个电极结构附近的人体组织中吸收的电功率P_T等于冷却液中吸收的电功率P₀。

因此，本发明中的冷却液是指这样的冷却液，它吸收的电功率基本上等于放置第一个电极结构处那部分人体组织中吸收的电功率。

冷却液的种类随着作为靶子的不同的人体组织而稍有变化，例如可使用的冷却液包括，在使用象氯化钾和氯化钠这类无机盐的情况下，浓度为30mmol/升到160mmol/升的无机盐水溶液，最好不超过120mmol/升，在使用象氯化钙、碳酸钠、碳酸钾、硫酸钠和硫酸钾这类无机盐的情况下，为浓度在15mmol/升到80mmol/升之间的无机盐水溶液。也可以根据需要把抗菌素或防腐剂加到如上所述的本发明的冷却液中。此外，可以单独使用一种无机盐，或者使用两种或两种以上无机盐的混合物。

下面来说明把冷却液引入第一个电极结构的袋状部件以及通过它进行循环的方法。也就是说，把由上述式（1）给出的人体组织中吸收的电功率P_T转换成单位时间，单位体积的热能（Q_P），即l/J×P_t，由此转换的一部分QB卡的热能通过血液流动和热传导被扩散到该组织的周围部分，因此引起该组织温度增加△_T。

它们两者之间的关系可表示为：

Q_P-Q_B＝ρ·c△T （2）

式中ρ是活体组织的密度，c是比热。

现在选择冷却液的密度为（ρ），比热为（C），使它们等于人体组织的相应值，这样，除去了由冷却液循环带走的相应于QB的热量，冷却液的温度的增加也调节为△T℃。

虽然为去掉热量QB所需要冷却液的引入量与其循环量随放置电极结构处那部分人体组织的种类和温度条件而有所不同，但是通过使得把本发明的冷却液引入至袋状部件和进行循环的量基本上等于人体组织中的血液流动量能够达到去掉如上所述的热量QB。例如，在肌肉组织的情况下，人体组织中的血液流动量与温度有关，其关系是在温度为37℃时，每立方厘米人体组织的血液流动量大约是2ml/分而在温度为40℃时其值约为7ml/分。通常在温度从37℃到43℃时本发明中引入和循环的冷却液是袋状部件内体积的1到15倍，此值接近于人体组织中的血液流动量。袋状部件的内部体积是指它被冷却液扩张时所能达到的内部体积。因为没有发现在第二个电极结构一侧的人体组织有明显的加热，所以对第二个电极结构而言，对其冷却液的循环量和温度没有特别限制。

按照本发明的设备能用高频加热器件来实现，它使用一个已在日本专利申请公开号Sho    60-119962中发表的体内器官电极器件作为第一个电极结构，使用一个已在日本专利申请公开号Sho    60-55966中发表的医学电极器件作为第二个电极结构，其中使用的冷却液的物理性质与放置电极结构处人体组织的相接近，而向袋状部件提供和从它排出冷却液的构成方法使得每分钟到第一个电极结构的袋状部件循环的冷却液体积是该袋状部件内部体积的1至15倍。

下面，根据优选的具体装置利用附图对于按照本发明的设备的第一个电极结构和第二个电极结构进行说明。

图5到图7给出第一个电极结构4的细节。

在图5到图7中，是一个由硅橡胶制的双通道软管8，其中完整地形成一个冷却液供应通道9和一个冷却液排出通道10。

在管8的端部，附加上一个柔软的高频电极11和一个柔软的袋状部件12，其大小使它不用扩张柔软的袋状部件就能与管状体内器官的内壁相接触。供应和排出冷却液用的接头13和14分别完整地与冷却液供应通道9和排出通道10相连接。用一个粘接剂胶合接头13和14分别与管8的连接处，外面再套上一个由硅酮制的可热致收缩的管8a。

把作为第一个电极的高频电极11同管8的外圆周相固定，它可以是金属网、波纹管、螺旋状部件或类似物，但它必须有柔软性。形成电极11的轴向长度使它等于肿瘤疾患部分的长度。

将高频引线15（例如，外径1mm左右）与高频电极11的底端固定连接。引线15沿着管8底部附近的双通道管8的外圆周延伸，把用来与能源7连接的接头17安装在该引线的延伸端上。

把袋状部件12制成圆柱形，其大小和形状相应于把它放在疾患部分附近的管状体内器官的大小和形状，而且如果需要的话，相应于被肿瘤弄窄的那部分的大小和形状。袋状部件12直径减小的两端18和19与管8的外圆周相固定，由此把电极11包围在内。

例如，在把第一个电极结构4用于食道的场合，所使用的袋状部件12的外径是5～25毫米，最度是30～100毫米。在把第一个电极结构4插入器官的场合，如图7中所示，袋状部件12被弄扁了，这时最好把它折起来，如图7中剖视线所示。

最好用由硅橡胶制的模具管或球来使袋状部件12成型。

作温度检测工具用的铜-康铜热电偶22，23，24，25和26具有热接触点22a，23a，24a，25a和26a，用胶合剂把热电偶22，23，24，25和26固定在袋状部件12的外表面，使得在袋状部件12被冷却液扩张时，它们能与器官壁紧密接触。

把引线22b，23b，24b，25b和26b同高频引线15及位于管8中心部分外圆周上的袋状部件12的底端18借助于不与引线15相交的由硅铜制作的热致收缩软管固定在一起。

热电偶的引线22b，23b，24b，25b和26b的接头28包括一个10头针型插座30和一个10头针型插头32，前者与引线22b，23b，24b，25b和26b及接到帽盖部分的按钮相固定连接，后者可从固定在管8圆周上的插座30取下，并用引线31将之与测量温度用的伏特表相连接。

冷却液排出孔33与管8中形成的冷却液排出通道10相连通，冷却液供应孔20与管8中形成的冷却液供应通道9相连通，配置顶端部分39用于导引第一个电极结构插入到器官内部，冷却液供应管的接头34与装有流量控制仪表的泵35相连接，再接到装有温度控制仪表的冷却器36上。接头34的构成方式使得它可拆卸地装在接头13上。接头37的构成方式使得它拆卸地装在接头14上，并能使冷却液由排出管38排出或把冷却液送回到泵35。

图8和9表示按照本发明的第二个电极结构5。在图8和9中，基板43包括一个涂有硅酮树脂的尼龙织物。在图中，画出了由薄铜板制的电极44，弹性硅橡胶片45，与高频能源一端（未画出）相连接的引线46，以及作为冷却液48的供应管和排出管的硅酮管47。由虚阴影线所示的区域49规定了基板43和硅橡胶片45相胶合的部分，以形成在管47，47之间沿一个方向的冷却液流动通道50。

图9是在供应冷却液48时沿着图8中线Ⅸ-Ⅸ取的剖面图，其中使图9的上侧与人体表面紧密接触。在前面，用硅橡胶片45和基板43构成袋状部件45a。

通过一固定工具和硅橡胶片45膨胀之间的相互作用，可以让第二个电极部件5与人体有良好的接触。

在按照本发明用高频加热器件加热疾患部分的情况下，基本上消除了在第一个电极结构袋状部件中的冷却液和与该袋状部件外表面相接触的人体组织之间的温度差。所以，按照本发明，根据位于第一个电极结构袋状部件外表面的温度传感器的指示，能够精确地监控人体组织处的温度，而与高频功率的大小无关，这样就能安全地对待加热部分如治疗目的进行人工过热加热。

现在用一个例子来比较详细地描述本发明。

分别用粘接剂把温度传感器A和温度传感器B固定在第一个电极结构袋状部件的中心部分的外表面及内表面，其中由硅橡胶制成直径为15毫米、长为80毫米的袋状部件包有一直径为8毫米的螺旋形电极，且把第一个电极结构插入食道中。

另一方面，把一个其冷却液通道配置在120毫米宽×430毫米长铜板上的第二个电极结构放在与食道相对的胸部。

用浓度为70mmol/升的盐水作冷却液，控制第一个电极结构入口处冷却液的温度是37℃，调节其循环流动速率q为50ml/分。由于袋状部件中冷却液占有的体积大约是10ml，每内部体积的循环量是（每分钟）q/V＝5次/分。

在第一个电极和第二个电极之间提供的13.5MHz的高频电流的功率是100W和150W，对于图10和11所示的这两种情形，由传感器A和B所示的温度差不超过0.5℃。

为比较起见，在图12和13中给出在如上所述相同的条件下，对于使用蒸馏水作为冷却液的情况，由传感器A和B给出的温度测量结果。在这几个图中符号o和口分别表示传感器A和B给出的指示温度。

在蒸馏水作冷却液的供比较用的例子中，能够看到传感器A和B之间的温度差明显地大于按照本发明的这个例子的相应值。

Claims (6)

1、在第一个电极和第二个电极之间提供高频电流的一种高频加热方法，该第一个电极装在第一个电极结构中，且使它适合于放置在待加热部分附近，而且它周围是一个柔软而密封的袋状部件；该第二个电极装在第二个电极结构中，且使它适合于放置在生命体的外围，它的电极面积比所述第一个电极的大5倍或更多些，由此在所述第一个电极结构附近形成一个比较强的电场分布，有选择地加热第一个电极周边处的所述部分，同时通过向所述袋状部件内提供和从它排出冷却液来冷却放置所述第一个电极结构处的那部分生命体，向袋状部件提供和从它排出的冷却液的物理性质与放置所述第一个电极结构处那部分生命体组织的物理性质相近，在所述第一个电极结构的一侧，冷却液每分钟的循环量是所述袋状部件内部体积的1～15倍。

2、权利要求1中规定的一种方法，其中用来循环的冷却液是浓度从15mmol/升到160mmol/升的无机盐水溶液。

3、权利要求1或2中规定的一种方法，其中引入袋状部件内的冷却液的温度在37℃到43℃之间。

4、一种高频加热设备包括：一种适合于放置在待加热部分附近的第一个电极结构，它有一个第一个电极，一个围绕该第一个电极的第一个柔软而密封的袋状部件和一个向该第一个袋状部件提供及从它排出冷却液的机构;一种第二个电极结构，它适合于放置在生命体的外围以及在与所述第一个电极一起使用时能有选择地加热该第一个电极结构周边处的所述部分，它有一个第二个电极，其电极面积比所述第一个电极的面积大5倍或者更多些，一个围绕该第二个电极的第二个柔软而密封的袋状部件和一个向该第二个袋状部件内提供及从它排出冷却液的机构;一种与所述的第一个电极和第二个电极相连接、用来向它们提供高频电流的高频能源;此外还包含有控制冷却液的温度和流动速率的仪表，其中冷却液的物理性质与放置第一个电极结构处那部分生命体组织的相接近，冷却液到第一个电极结构每分钟的循环量是所述第一个袋状部件内部体积的1到15倍。

5、权利要求4中规定的一种设备，其中冷却液是浓度在15mmol/升到160mmol/升之间的无机盐水溶液。

6、权利要求5中规定的一种设备，其中冷却液的比热基本上等于放置第一个电极结构处那部分生命体组织的比热。

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