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Anordnung zum Sokussieren von elektromagnetischen oder mechanischen
Wellen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Foktissierung von
elektromagnetischen Wellen, insbesondere von Mikrowellen und von Ultraschallwellen
zur lokalen Ryperthermie von humanem Gewebe Die bisher bekannten Anordnungen für
medizinisch - therapeutische Anwendungen sind nicht in der Lage eine ausreichend
selektive, lokale Ryperthermle, vor allem in tieferen Gewebeschichten zu erzeugen.
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Insbesondere konnte bisher da4Problem der stärkeren Erwärmung ober
-flächennaher Gewebeschichten nicht befriedigend gelöst werden.
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Es sind bereits fokussierende Anordnungen für Mikrowellen bekannt
geworden, die aus rotationselliptischen Hohlspiegeln bestehen, in deren 1. Brennpunkt
die Sendeantenne angebracht ist.
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Ebenfalls ist bekannt den Hohlspiegel mit einem Medium auszufüllen,
dessen Dielektrizitätskonstante mit derjenigen des zu bestrahlenden Gewebes annähernd
übereinstimst.
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Auch Lins enanordnungen wurden angegeben.
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Die Bedeutung der Richtcharakteristik der Antenne bzw. des Strahlers
ist in ihrem Einfluß auf die Fokussierung bisher nicht erkannt worden.
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Ebenso ist der entscheidende Einfluß der Apertur auf die Fokussierung
im absorbierenden Medium weder qualitativ noch quantitativ erfaßt worden Ursache
für den bisher nicht befriedigenden Stand der Technik liegt vermutlich in dem hohen
Schwierigkeitsgrad für die Berechnung der In -tensität von konvergierenden Wellen
im Beugungsbereich des Brennpunktes unter Berücksichtigung der Absorption im Gewebe
Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis einer systematischen theore -tischen
Untersuchung des oben genannten Problems, Insbesondere nlfflden dq quantitativen
Zusammenhänge zwischen Intensitäteverlauf, Wellenlänge, Absorptionskoeffizient bzw.
Eindringtiefe und Apertun winkel der einfallenden Wellen) ermittelt und numelis
au
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht erstmals, trotz der
starken Absorption, ein Intensitätsmaximum in tiefer gelegenen Gewebeschichten und
ist dadurch gekennzeichnet, daß die aus ihrer Öffnung austretenden konvergierenden
Wellen eine effektive Apertur Aeff besitzen, die größer ist als der größere der
beiden Werte
wobei # die Wellenlänge, Cr die reziproke Eindringtiefe und r° der wählbare Abstand
des 1, Intensitätsminimums vom Konvergenzpunkt bedeuten.
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Die oben genannten Formeln geben die durch die physikalischen Grenzen
infolge der Beugung und Absorption festgelegten Dimensio -nierungsregeln für den
Bereich des Hauptmaximums der Beugungs -figur wieder.
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Für den Fall, daß die Intensität im Nebenmaximum N-ter Ordnung in
Richtung Sendeantenne noch kleiner als im Hauptmaximum sein soll, ergibt sich für
die effektive Apertur die verschärfte Formel
Die effektive Apertur Aeff der auf den 2. Brennpunkt F2 konver -gierenden Wellen
berechnet sich aus der maximalen (geometrischen) Apertur A = A und der auf F2 bezogenen
Richtcharakteristik max nach der Formel
Nur für P = const = 1 ist Aeff = Amax, @ sonst gilt : Aeff <
Amax So ergeben sich z.B. bei einer rotationssymmetrischen Richt -charakteristik
von der Form
für für für
Für eine angestrebte "geometrische Brennpunktstiefe" d gemäß FIG 42 d h. für einen
Abstand d zwischen Körperoberfläche und geometrischem 2. Brennpunkt F2 , muß bei
einer gewünschten maximalen Apertur A der Durchmesser D der Hohispiegelöffnung der
Formel :
genügen.
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Um den Einfluß der Beugungserscheinungen an der Rollspiegelöffnung
auf den Intensitätsverlauf im Bereich F3 ausreichend klein zu halten, sollte D mindestens
w möglichst
sein Die wirksame Brennpunktstiefe" d d.h. der Abstand zwischen der Körperoberfläche
und dem Ort S3 maximaler Intensität, ist infolge der Absorption im Körpergewebe
kleiner als die "geometrische Brenn -punktstiefe' d
Die Größe h gibt den Abstand des Ortes Ortes F3 marimaler Intensität vom geometrischen
2. Brennpunkt F2. an und ist von der Apertur A, der Wellenlänge # und dem Absorptionskoeffizient
Q bzw. der Eindring -tiefe # abhängig.
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Bei
ist
für
nimmt h einen Wert
an, wenn man sich auf das Hauptmaxiumum der Beugungsfigur beschränkt
Ziel
der erfindungsgewaßen Anordnung ist die Realisierung einer möglichst großen effektiven
Apertur Aeff der in Richtung Brenn -punkt einfallenden Wellen unter Berücksichfigung
eines ausreichend grossen Abstandes zwischen Strahler bzw. Sendeantenne einerseits
und der Körperoberfläche ander'seits.
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Bei Mikrowellenanordnungen bedeutet dies, daß der von den Wellen zu
-rückgelegte Weg zwischen Sendeantenne und Körperoberfläche mindestens mehrere Wellenlängen
betragen muß, so daß si<E das humane Gewebe im Fernfeld der Sendeantenne befindet
.
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Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem rotationselliptischen
Hohlspiegel (1), entsprechend FIG 1, in dessem 1. Brennpunkt P1 sich die Sendeantenne
(2) befindet, deren Reflektor (3) die Richtcharakteris -tik (4) dieser Antenne in
rotationssymmetrischer Form bewirkt Insbesondere wird eine direkte Abstrahlung auf
den Körperbereich weit -gehend vermieden .
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Obwohl die Länge dieses Rohlspiegels in weiten Grenzen gewählt werden
kann, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, wenn die mechanische Länge des
Rohlspiegels größer als die halbe Hauptachse des zugehörigen Rotationsellips oids
ist.
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Der Vorteil einer solchen Dimensionierung liegt darin, daß eine große
Apertur der einfallenden Strahlen bei relativ großem Abstand zwischen Sendeantenne
(4) und Körperoberfläche(5) des Körpers () erreicht wird.
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Der Hohlspiegel (1) ist zur reflexionsarmen Anpassung an die Körper
-oberfläche in an sich bekannter Weise mit einem Medium (7) ( z0130 Was -ser oder
wässrige Lösung) ausgefüllt, dessen Brechungsindex mit demjeni -gen des Körpergewebes
etwa übereinstimmt.
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Der geometrische 2.Erennpunkt F2 wird erfindungsgemäß im Abstand von
h ( ca. 1-3 Wellenlängen ) tiefer gewählt, als es der Mitte des lokal zu erwärmenden
Körperbereiches (8) entspricht .
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Die Antenne (2) wird über eine Koaxial - Leitung (9) von der Rück
-seite des Hohlspiegels gespeist .
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In FIG 2a ist im Längsschnitt eine besonders günstige erfindungsgemäße
Ausführung der Sendeantenne (2) angegeben, Die Dimensionierung einer solchen Antenne,deren
Spitze (1o) zur kom -pakteren Ausführung und damit primärseitig optimalen Konzentration
der abgestrahlten Wellen verbreitert ist und in Bezug zum Reflektor (11) als Dachkapazität
wirkt.
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FIG 2b stellt die Frontansicht dieser Antenne dar.
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Erfindungsgemäß ergeben sich besonders günstige Formen der Richt -Charakteristik
dieser Sendeantenne, wenn für die Antennenlänge ! bei der Wellenlänge vorzugsweise
Für den Reflektor (11) sollte die Differenz zwischen dem äußeren iind dem inneren
Radius r1 bei ganzer Zahl N wählt werden vorzugsweise
Die erfindungsgemäße Anordnung nach FIG 3 beinhaltete zunächst in einstimmung mit
FIG 1 einen Hohlspiegel (1), eine Sendeanbenne (2 im 1. brennpunkt F1 mit Reflektor
(3) Zur Erzielung einer noch größeren der auf den Brennpunkt F2 @ Konvergierenden
Wellen wird erfindungsgemäß eine Linse (12, verwendet, deren gewölbte Vorderfläche
(13) formbeständig ausgeführt sein soll, während die hintere Begrenzungsfläche (14)
dieser Linse elastisch aus -geführt sein kann und damit eine gute Anpassung an die
Körperform ermöglicht.
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Der Brechungsindex n3 dieser Linse t12) sollte erfindungsgemäß dem
Brechungsindex n2 des Körperbereiches (8) entsprechen.
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Gemäß der Erfindung sollte der Brechungsindex n1 der Hohlspiegel -füllung
(7) größer als n3 bzw. n2 sein
In Fortbildung der Erfindung kann der Bereich (15) des Hohlspiegels(1)
aus einem transparenten Kunststoff hergestellt werden, nachdem an der Innenseite
der Hohlspiegelwand hier stets Totalreflexion de Wellen stattfindet Setzt man für
den Kunststoff ( z.B. Plexiglas ) einen Brechungsindex n4 = 1B58 und für die wässrige
Spiegelfüllung (7) einen Brechungsindex von 7, 7 so entsteht ein Grenzwinkel der
Totalreflexion von 10, 37°.
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Wie aus den FIG. ersichtlich, wird dieser Grenzwinkel weit überschritten,
so daß die Totalreflexion hier für die Mikrowellen nutzbar gemacht werden kann.
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Für das sichtbare Licht ist bekanntlich der Brechungsindex Wasser
nur 1,33, so daß hier keIne Totalreflexion auftritt und die Körperoberfläche des
zu bestrahlenden Bereiches durch diese Kunststoff-?A (15) sichtbar wird, wenn die
Linse (12) aus einem optisch durch -sichtigen Material besteht Weiterbildung ist
im Schatten der Sendeantenne (2) ein zusätzlicher einer Metal;hohlspiegel (16) vorgesehen,
der das Licht von Beleuch -tungslampen (1 (17) auf die mittlere Oberfläche des zu
bestrahlenden Körperberelchs reektçert, so daß die Bestrahlungsanordnung optimal
a eine z.B. vorher markierte Stelle der Körperoberfläche eingestellt werden hann.
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Die Rüchseite : @8 ; des Hchlspiegels (1) ist im Bsreich, in dem die
Totalreflexion nicht sichergestellt ist, metallisiert, so daß eine unerwünschte
Abstrahlung von Mikrowellen vermieden wird.
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An die Stelle der Linse (12) ha erfindungsgemäß unmittelbar die X;peroberfläche
treten, wenn sie durch eine Absaugvorrichtung In Hohlspiegel in den Hohlspiegel
hinein mehr oder weniger gewölbt werden lgann .
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Allerdings sind hier im Vergleich zur Linse (12) die Verhältnisse
weniger gena@ definiert.
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a Lage der maximalen Intensität im Geb::;et des 2. Brennpunktes kann
erfindungsgemäß durch Verschiebung der Sendeantenne (2) sowohl längs der Achse als
ach quer r Ach@@ zusätzlich verändert werden Die Lage wird durch den gleichzeitig
mit verschobenen Leuchtfleck sichtbar gemacht, so daß eine Feineinstellung möglich
ist
An Stelle des ellipsoiden Hohlspiegels kann ein Parabol-, Hyperbol
-oder ein sphärischer Hohlspiegel treten, wenn die Sendeantenne im Bereich des 1.
Brennpunktes F1 eines derartigen Abbildungssystems angeordnet ist, so daß, im Prinzip
wie bei dem hier optimalen rotationselliptischen Hohlspiegel das "relle Bild" im
Bereich von F2 bzw. F3 entsteht Eine andere Ausführung kann erfindungsgemäß in einem
sphärischen Hohl -spiegel bestehen, dessen Innenwand mit gleichphasig erregten Antennen
bzw, Ultraschallstrahlern ausgekleidet ist und dessen Mittelpunkt den Ort des bisherigen
2. Brennpunktes bildet.
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Währen bei Mikrowellen in einer solchen Anordnung erhebliche Probleme
beim Versuch einer gleichphasigen Erregung bestehen, ist die Realisierung mit gleichphasig
erregten Ultraschallwandlern, z.B. als Dickenschwinger ausgelegt leichter realisierbar
Hinsichtlich der Apertur und der übrigen Dimensionierungen gelten auch hier dieselben,
oben angegebenen, erfindungsgemäßen Regeln In FIG 5 wird anhand der berechneten
Intensitätsverteilung längs der Verbindungsachse beider Brennpunkte F2 P1 y Z-B-für
eine Anordnung gemäß FIG 12 der entscheidende Einfluß der Apertur
demonstriert.
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Der geometrische 2. Brennpunkt F2 befindet sich hier für alle 4 Kurven
im absorbierenden Gewebe im Abstand von 3 Wellenlängen von der Körper -oberfläche
entfernt.
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Ie4iormierte, auf F2 bezogene Abstand vom Brennpunkt ist hier
also C = O für F2 Die Körperoberfläche im Abstand d = 3 bildet die Grenzfläche zwischen
dem absorbierenden Xörpergewebe, in FIG 5 rechts der Grenzlinie, und dem nicht absorbierenden
Medium (Hohlspiegelfüllung) links dieser Linie.
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Der maximale Intensitätswert ist auf 1 normiert Alle 4 Kurven beziehen
sich auf eine gleich große Senderleistung Die maximale Apertur
ist hier Parameter mit den Werten A = 300 ; 400 ; 50° ; 600 Der normierte Absorptionskoeffizient
ist zu
d.h. die reziproke Eindringtiefe # (für Intensitätsabfall auf 36,8%bei paralle -len
Wellenfronten !) ist hier
gewählt. Nach Durchlaufen der Strecke von einer Wellenlänge ist dann die Intensi
-tät auf 3628 % abgesunken
Bei z.I3. einer Senderfrequenz f = 2245
GHz und einer angenommenen Dielektrizitätskonstante des Körpergewebes 8 = 67 ergibt
sich im Gewebe eine Wellenlänge # = 15mm Dann befindet sich der geometrische 2 Brennpunkt
F2 d = 45 mm tief im Gewebe.
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Aus der FIG 5 können dann die Absolutwerte der Brennpunktsverschie
-bungen h(A) und die maximalen Intensitätswerte S(A) ( relativ zu A = 600 ) für
die verschiedenen Aperturwerte ermittelt werden Bei A = 600 ist : 5 (A = 60°) max
= 1; h (A = 60) = 2,2
= 5,3mm; d = 39,7mm Bei A = 500 ist : S (A=50°) = 0,48; h (A = 50) = 5,2
= 1225mm; d = 32,5mm Bei A = 40° ist : 5 (A = 40°) max L = 0L18; h (A = 40) =13w3
= 31=7mm; d = 13,3mm Für A = 300 wird bei einer geometrischen Brennpunktstiefe d
= 45mm kein Maximum der Intensität im Gewebe mehr erreicht, da hier die Brennpunktsverschiebung
h (A = 30) > d ist Für die Praxis bedeutet dies daß bereits eine maximale Apertur
von A = 30° zu klein ist, um im Körpergewebe ein Intensitätsmaximum zu erzeugen.
Bereits bei A = 400 ist die Fokussierung unzureichend z wenn auch noch ein Intensitätsmaiimum
vorhanden ist.
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Man erkennt ferner, daß erst etwa von A = 500 aufwärts eine gute Fokussierung
und eine ausreichende wirksame Brennpunktstief d realisiert werden können.
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Bei d = 45 mm und A = 600 muß entsprechend Gl. (6) der Durchmesser
der Hohlspiegelöffnung mindestens D = 156 mm sein.
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Die mechanische Länge eines rotationselliptischen Hohlspiegels ent
-sprechend FIG 1 beträgt dann etwa 186 mm.
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Die Mitte des zu bestrahlenden Gewebebereiches liegt dann bei A =
600 in einer Tiefe von 39,7 mm
Will man in noch tieferen Gewebebereichen
das Intensitätsmaximum erzeugen, so müssen der Durchmesser D gemäß Gl.(6) und für
d etwa
die Apertur A 600 sein In Weiterbildung der Erfindung wird die Strahlungsleistung
während der Bestrahlungsdauer entweder konstant gehalten bzw. nach Tempera -turmessung
nachgeregelt oder periodisch derart verändert, daß relativ kurzen Einschaltzeiten
längere Ausschaltzeiten folgen Der Impulsbetrieb ermöglicht bei geeignetem Tastverhältnis
eine bessere Annäherung der räumlichen Temperaturverteilung im Gewebe an die Verteilung
der Strahlungsintensität, nachdem sich die Wärmekonvektion durch den Blutstrom und
die Wärmeleitung in ihrer unerwünschten ver -breiternden Wirkung bei kurzen Einschaltzeiten
weniger auswirken.
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Allerdings muß die Strahlungsleistung in ihrem Spitzenwert unter Eerücksichtigung
der Wärmekapazität des Körpergewebes entsprechend größer gewählt werden als bei
Dauerbetrieb erforderlich wäre In Betracht gezogene Druckschriften : (i) DT-AS 1163
992 (2) FR-PS 832 529 (3) GB-PS 624 409 (4) Bergaann-Schaef er , Lehrb. d. ExperimenQaIpE
Band III Optik , 6. Auflage , 1974 » Seite 16 (5) DT-PS 894 041 (6) OH-PS 105 105
(7) DT-Gbm 1 878 091 (8) DT-PS 616 556 (9) 1)1-PS 20 512 (10) DPA Aktz. P 24 17
263.2