DE2648908A1

DE2648908A1 - Anordnung zur selektiven kuehlung humaner koerperbereiche bei einstrahlender hf - energie

Info

Publication number: DE2648908A1
Application number: DE19762648908
Authority: DE
Inventors: Hansrichard Dipl Phys D Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1978-05-03

Description

Anordnung zur selektiven Kühlung humaner Körperbereiche
bei einstrahlender HF - Energie Die Erfindung bezieht sich auf Bestrahlungsanordnungen, die im humanen Körper eine Hyperthermie erzeugen.
Derartige Geräte arbeiten entweder mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen oder mit Ultraschallwellen.
Das hierbei häufig auftretende Problem, einen bestimmten Körperbereich (z.B. Karzinom) einige Zentimeter tief lokal zu erwärmen, konnte von der Bestrahlungsseite her erst in letzter Zeit durch die Anwendung von ellipsoiden Mikrowellen-Hohlspiegeln mit hoher Apertur einer Lö -sung zugeführt werden. (s.Fig.1) In Fig. 1 ist im Längeschnitt ein rotationsellipsoider Hohlspiegel (1) dargestellt, der mit einer Flüssigkeit (2) von etwa gleicher Dielektrizitätskonstantewie der zu erwärmende Körperbereich (j) gefüllt ist.
Diese Flüssigkeit strömt erfindungsgemäß in einem Kühlkreislauf ( (4); (5)g(6) ) an der Körperoberfläche (7) als "Kühlmittel" entlang und führt die in oberflächennahen Bereichen des Körpers entstehende Wärme ab.
Die effektive Apertur Aeff der Richtcharakteristik P ( # s 4 ) ist etwas kleiner als die maximale Apertur A.
Infolge der Absorption ist das Hauptmaximum F3 der Intensitä der einstrahlenden Wellen um die Strecke hgegenüber dem geometrischen 2. Brennpunkt F2 in Richtung Sender verschoben.
Wie die theoretischen Untersuchungen in Beugungsbereich des 2. Brenn -punktes einer solchen Hohlspiegelanordnung, d.h. in der unmittelbaren Umgebung des zu erwärmenden Körperbereiches, zeigten, läBt die relativ große Absorption des Körpergewebes (für Muskelgewebs und für Blut ist die Eindringtiefe ca. 10 nun bei einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 CHz, d.h. nach 10 mm ist die Strahlungsintensität auf 1/e 36.8% abgesunken)bei z.B, 2,45 GHz nur Wirkungstiefen von ca. 5 cm Bu Größere Wirkungstiefen sind bisher bei 2,45 GHz trotz optimaler Fokussierung mit hohen Aperturwerten nicht möglich, weil infolge des durch die Absorption verursachten exponentiellen Abfalls bereits das erste Nebenmaximum der Intensität dann größer wird als das Haupt -maximum, so daß im oberflächennahen Bereich eine höhere Temperatur entstehen kann als im gewünschten Bereich des Hauptmaximums F3. (s.Fig.2) Die in Fig. 2 dargestellten Intensitätsverteilungen längs des Brennpunktsachse F1F2 wurden für das absorbierende Medium nach der Formel berechnet, Hier bedeuten X = Abstand vom Brennpunkt F2; zum Sender hin, d.h. nach links, ist X<0; J = Eindringtiefe, (t.h. nach J ist die Intensität einer ebenen Welle auf 36,8% abgesunken; Wellenlänge im Medium, effektive Apertur der auf F2 einstrahlenden Wellen.
eff Fürx=Oist S auf 1 hier normiert Kurve a betrifft die Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz , Kurve b die UHF - Frequenz 433,92 MHZ.
Für bestimmte Anwendungen, bei denen der lokal zu erwärmende Körperbereich größer sein kann, sind niedrigere Frequenzen ( wie z.B. 433,92 MHz, 40,68 MHz, 27,12 MHz, 13,56 MHz...) geeignet.
Die Eindringtiefe ist hier größer (z.B. bei 433 MHz ca. 19 mm, bei 40,66 NHz ca. 37 mm), Jedoch wird die Fokussierung mit abnehmender Frequenz, d.h. mit zunehmender Wellenlänge schwieriger.
Dies hat zur Folge, daß hier infolge der erheblich flacheren Beugung figur die Intensitätsverteilung in erster Linie durch den exponentiellen Abfall bestimmt wird, so daß die oberflächennahen Körperbereiche ohne die erfindungsgemäße Maßnahme z.T. noch ausgeprägter als tiefer liegende Bereiche erwärmt werden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, den unerwünschten Einfluß des exponentiellen Abfalls der Strahlungsintensität S, djh.
der Wärmestromdichte, auf die Temperaturerhöhung wirksam zu reduzieren.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die räumliche Verteilung der von den einstrahlenden Wellen verursachten Wärmequellen mit der Intensitätsverteilung S dieser Wellen im absorbierenden Körper eng verknüpft ist. Denn die im Volumenelement d V entstehende dielektrische Verlustleistung d P dieser Wellen ergibt sich bei der Feldstärke E und der elektrischen Leitfähigkeit ae [#-1 cm-1] nach der Formel Nachdem die absolute Intensität Sabs dieser Wellen Ort des Vo -lumenelementes dv bei dem Wellenwiderstand mit der relativen Pereabilität und der relativen Dielektrizitätskonstante 8 sich nach der Formel mit dem Normierungsfaktor N berechnet, folgt für die Verlust -leistung Verl die Beziehung Die im VolumenelementolVin Wärme umgesetzte Verlustleistung ist somit proportional zur normierten Intensität S.
Bei konstant angenommener elektrischer Leitfähigkeit ae stimmt dann die räumliche Verteilung der Verlustleistung dP und damit die räum-Vetl @iche verteilung der "Ergiebigkeit der Wärmequellen mit der Intensitätsverteilung S überein.
Istx nicht konstant, ermittelt sich die räumliche Verteilung der aus dem Produkt der Verteilungsfunktionen von ae und S.
Gemäß der Erfindung wird zur Erzielung einer im Vergleich zur Intensitätsverteilung S noch günstigeren Temperaturverteilung T der Wärmefluß mit Hilfe einer selektiven Kühlung der Körperober -fläche örtlich beeinflußt. Daß dieses möglich und sinnvoll ist, ergibt sich aus der @llgemeinen Wärmeleitungegleichung Bei vorgegebenen Grenzflächen (z.B. Kdrperoberfläche) und vorgegebenen Randbedingungen (z.B. selektive, d.h. örtlich bevorzugte Kühlung der Körperoberfläche) ermittelt sich dann die Temperatur -verteilung T. Hier bedeuten C die spezifische Wärme, α die Dichte und die Wärmeleitfähigkeit des bestrahlten Körperbereiches.
Die Xårmekonvektion, z.B. durch den Blutstrom und den Lymphstrom, kann näherungsweise in diesen Formeln durch geeignete Erweiterungen berücksichtigt werden. Nachdem, wie bekannt, der Durchblutungsgrad von malignen Gewebebereichen erheblich geringer als von gesunden Gewebebereichen ist, dominiert hier die Wärmeleitung.
Für den stationären Zustand der bei längerer Bestrahlungsdauer realisiert ist, berechnet sich dann die Temperatur -verteilung T aus der inhomogenen Potentialgleichung Hier kommt der Einfluß der Randbedingungen und damit der Kühlung besonders deutlich zum Ausdruck, wie die Lösung mit Hilfe einer geeigneten Greenschen Funktion zeigt.
erfindungsgemäß Aufgrund dieser quantitativen Zusammenhänge wirdlzur lokalen Hyper -thermie von tiefer liegenden Körperbereichen eine kombinierte Anwendung von einstrahlender HF - Energie und Kühlung von Teilen der Körperoberfläche vorgeschlagen.
Diese zunächst nicht sinnvoll erscheinende Maßnahme wird verständlich, wenn man die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der iiyperthermie mit einstrahlender HF - Energie und der Kühlung mit z.B.
Flüssigkeit berücksichtigt die HF - Energie entfaltet ihre Erwärmung im Körperinneren, während die Kühlung nur von der Körperoberfläche her nach innen wirksam wird und mit ihrer Wirkung nach innen stärker abnimmt als die einstrahlende HF - Energie.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur selektiven Kühlung von humanen Körperbereichen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl zone im Bereich der von der einstrahlenden HF - Energie durchdrungenen Körperoberfläche angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung wird daher die in den oberflächennahen Schichten erzeugte Wärme bevorzugt nach auzßen abgeführt.
Wie die eingehende theoretische Untersuchung diese Kühlvorgangs zeigt, wird bei ausreichend niedriger Temperatur dieses Kühlmittels (z.B. 100) zusätzlich der Temperaturverlauf im Gebiet des Haupt -maximums dahingehend beeinflußt, daß der Ort maximaler Temperatur nach innen zum 2 Brennpunkt F2 hin verlagert wird.
Die Wirkungstiefe des Iiauptmaximums wird damit vergrößert In Weiterbildung der Erfindung wird zumindest für einen Teilbereich(2 ) des Hohlspiegels ein teilweise die einstrahlenden Wellen absorbierendes Ki'ililmittel oder dielektrisches Medium verwendet, dessen Eindringtiefe von etwa gleicher Größenordnung wie im zu bestrahlenden Körperbereich ist.
Eine derartige, sowohl als dielektrisches Füllungsmedium als auch zur Kühlung geeignete Flüssigkeit kann zOB. durch eine Emulsion aus Salzwasser definierter Salzkonzentration und aus einer Flüssigkeit mit geringer Dielektrizitätskonstante, z.B. Öl, bestehen, wobei das Mischungsverhältnis Wasser zu Öl der gewünschten Dielektrizitätskonstante angepaßt werden kann, iier infolge einer derartigen Emulsion absorbierende Teilbereich des Hohlspiegels soll erfindungsgemäß die Form eines rotationsellipsoiden Segmentes oler im Spezialfall die Form eines Kugelsegmentes besitzen, wobei vorzugsweise als 1, Brennpunkt dieses Segmentes, bzw.
als Kugelmittelpunkt der 2. Brennpunkt F2 des Hohlspiegels gewählt werden sollte.
Die erfindungsgemäße Ausführung des absorbienenden Teilbereiches (2X) ( oder der gesamten Hohlspiegelfüllung ) bewirkt eine zusätzliche Absorption der achsennahen Well entünflel, so daß hierdurch auch bei der häufig auftretenden, nahezu ebenen Oberfläche des zu bestrahlenden Körperbereiches alle Wellenbündel bis zur vollen Apertur A gleichmäßig absorbiert werden und damit eine optimale Fokussierung in der Umgebung des 2. Brennpunktes F2 ermöglicht wird, Ohne diese Maßnamhe werden die steiler auf F2 einfallenden Wellenbündel relativ zu den achsennahen Bündeln stärker ab -sorbiert, was eine beträchtliche Herabsetzung der effektiven Apertur Aeff und damit eine schlechtere Fokussierung zur Folge hat.

Claims

Patentansprüche 4 Anordnung zur selektiven Kühlung von humanen Körperbereichen dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzone im Bereich der von der einstrahlentien tE - energie durchdrungenen Körperober -fläche angeordnet ist.
2. Anordnung zur selektiven Kühlung von humanen Körperbereichen n.Anspr. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzone mindestens die von den einstrahlenden Wellen durchdrungene Körperoberfläche umfaßt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung um eine durch die Wärmekapazität, Wärmeleitung und räumlichen Abmessungen des zu bestrahlenden Körperbereiches festgelegte Zeit vor der Bestrahlung einsetzt.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung in abgestuften Zonen erfolgt und mit zu -nehmendem Zonenradius stärker wirksam wird.
5 Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung mit einer Flüssigkeit erfolgt.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung mit eutektischen Salzen erfolgt.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung mit Luft erfolgt.
8. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel bzw. das dielektrische Medium im Hohlspiegel zumindest in einem Teilbereich des Hohlspiegels die einstrahlenden Wellen teilweise absorbiert.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Kühlmittels bzw. des dielektrischen Mediums im Hohlspiegel von etwa gleicher Größenordnung wie im zu bestrahlenden Körperbereich ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß der absorbierende Teilbereich des Hohlspiegels auf der einen Seite von der Körperoberfläche begrenzt ist und auf der anderen Seite die Form eines rotationsellipsoiden Segmentes mit F2 als 1. Brennpunkt besitzt.