DE2753761C2

DE2753761C2 -

Info

Publication number: DE2753761C2
Application number: DE19772753761
Authority: DE
Inventors: Manfred Von Prof. Dr.H.C. Ardenne; Thomas Von Dipl.-Ing. Ddr 8051 Dresden Dd Ardenne
Original assignee: FORSCHUNGSINSTITUT MANFRED VON ARDENNE DDR 8051 DRESDEN DD
Current assignee: FORSCHUNGSINSTITUT MANFRED VON ARDENNE DDR 8051 DRESDEN DD
Priority date: 1976-12-16
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1987-12-17
Also published as: DE2753761A1; DD128818B1; DD128818A1

Description

Es sind elektrische Diathermie-Einrichtungen verschiedener Ausführungen und Wirkprinzipien bekannt. Am gebräuchlichsten ist die Dekawellenanordnung mit Spulenfeld. Sie besteht im wesentlichen aus einem Sender zum Erzeugen der hochfrequen ten Energie und einem Spulensystem, welches das Magnetfeld erzeugt. Eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1, allerdings ohne daß das Spulensystem während der Behandlung bewegt wird, ist aus der DE-OS 23 56 183 bekannt.There are various electrical diathermy devices Versions and principles of action known. Most common is the deca wave arrangement with coil field. It consists in essentially from a transmitter for generating the high frequency ten energy and a coil system, which the magnetic field generated. A device according to the preamble of the patent Proverb 1, but without the coil system during the Treatment is moved is known from DE-OS 23 56 183.

Diese Einrichtungen haben gemeinsam den Nachteil, daß die In homogenität der Energiezufuhr im Gewebe sowohl in Richtung der Körperoberfläche paralleler Ebenen als auch in der Tiefe sehr ausgedehnt ist.These facilities have in common the disadvantage that the In homogeneity of energy in the tissue both in the direction the body surface of parallel planes as well as in depth is very extensive.

Es ist weiterhin eine Einrichtung für die Ganzkörper-Hyper thermie bekannt, die aus einer langgestreckten Spule aus meh reren parallelgeschalteten Windungen besteht. Die Spule ist an einen HF-Erzeuger angeschlossen. Der Patient wird von dem Spulensystem auf der gesamten Länge umgeben (DD-PS 62 377). Diese Einrichtung gestattet nicht die Erwärmung nur eines be stimmten Bereiches des Körpers, in dem der Krankheitsherd seinen Sitz hat. Damit scheidet das mit der Einrichtung aus übbare Verfahren zur Krebstherapie aus, denn die Wärme dringt nicht gezielt in den Tumorbereich.It is still a facility for whole body hyper thermie known from an elongated coil of meh there are parallel turns. The coil is connected to an RF generator. The patient is from that Surround the entire length of the coil system (DD-PS 62 377). This device does not allow the heating of only one agreed area of the body in which the focus of the disease has its seat. That is the end of the establishment practices for cancer therapy, because the heat penetrates not targeted to the tumor area.

Es ist auch eine Einrichtung zur kombinierten Bestrahlung eines Krankheitsherdes mit Röntgenstrahlung und elektromag netischer Strahlung sehr hoher Frequenz bekannt, wobei die Strahler über einen Arm auf einer Kreisbahn um einen Punkt im Patientenkörper, den Krankheitsherd, bewegt werden. Der eine Strahler erzeugt ein elektromagnetisches Feld sehr hoher Fre quenz und die Energie ist auf einen Punkt konzentriert (GB- PS 10 45 546). Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß es nicht möglich ist, einem größeren Bereich bis in die Tiefe homogene Wärmeenergie zuzuführen.It is also a combined radiation facility a source of disease with x-rays and elektromag netic radiation of very high frequency is known, the Spotlight over an arm on a circular path around a point in the Patient's body, the focus of the disease. The one Emitter generates an electromagnetic field of very high frequency quenz and the energy is concentrated on one point (GB- PS 10 45 546). This device has the disadvantage that it is not possible to have a larger area in depth to supply homogeneous thermal energy.

Aus der GB-PS 14 54 817 ist schließlich eine Einrichtung zur Elektronenbestrahlung von Gegenständen bekannt, wobei der Elektronenstrahl eine rasterförmige Bewegung in einem vorge gebenen Bereich ausführt.From GB-PS 14 54 817 is finally a device for Electron irradiation of objects known, the Electron beam a grid-like movement in a pre area.

Bei den bekannten Einrichtungen zur partiellen Hyperthermie, die mit Dekawellen bzw. Mikrowellen arbeiten, ist die Wirkung, physikalisch bedingt, stark begrenzt. Meist ist nur in ober flächennahen Gewebebereichen eine starke Energiezufuhr möglich. In den seltensten Fällen läßt sich im Zielgebiet der Therapie die therapeutisch optimale Temperatursteigerung bei im Ziel raum gleichbleibender Höhe realisieren. Oft bleibt der thera peutisch zu fordernde Temperaturwert dadurch praktisch uner reichbar, weil die Stärke des Wirbelfeldes durch Überhitzung der Unterhautschichten zur Vermeidung von Schmerzen und Ver brennung nicht weiter gesteigert werden kann.In the known facilities for partial hyperthermia, that work with deca waves or microwaves is the effect physical, very limited. Mostly is only in upper A strong energy supply is possible in areas close to the fabric. In the rarest of cases can be in the target area of therapy the therapeutically optimal temperature increase at the finish realizing space of constant height. The thera often remains This means that the temperature value to be demanded is practically unimportant accessible because the strength of the vortex field due to overheating the subcutaneous layers to avoid pain and ver burning cannot be increased further.

Die vorgeschlagene Einrichtung zur partiellen Hyperthermie soll die den bekannten Geräten anhaftenden Mängel bezüglich ihrer therapeutischen Wirkung beseitigen. Sie soll neue Ein satzmöglichkeiten nicht nur im Bereich der allgemeinen Deka wellen-Diathermie, sondern auch im Bereich der Krebsbekämpfung, der Pharmakologie mit temperatursensitiven Drogen und der thermographischen Diagnostik mit langwelligem Infrarot schaf fen.The proposed facility for partial hyperthermia the deficiencies inherent in the known devices eliminate their therapeutic effects. You should new one Opportunities not only in the area of general Deka wave diathermy, but also in the field of cancer control, pharmacology with temperature sensitive drugs and thermographic diagnostics with long-wave infrared sheep fen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur partiellen Hyperthermie des menschlichen Körpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auf dem Prinzip der Dekawellen-Diathermie zu schaffen, die eine geringe Tempera turinhomogenität im angezielten Körpervolumen zur gleichmä ßigen Auslösung thermisch-selektiver Vorgänge erzeugt, um Mechanismen auszulösen, die im lebenden Organismus bei um bestimmte Werte erhöhter Temperatur einsetzen oder ablaufen. Die Einrichtung soll eine hohe und relativ homogene Zufuhr von Wärmeenergie bis in die Tiefe des Patientenkörpers (Krankheitsherde, Organe usw.) ermöglichen.The invention has for its object a device according to partial hyperthermia of the human body the preamble of claim 1 on the principle of Deca wave diathermy to create a low tempera turinhomogeneity in the targeted body volume at the same time triggers thermal-selective processes Mechanisms trigger in the living organism at around use or expire certain values of elevated temperature. The facility is designed to provide a high and relatively homogeneous feed from thermal energy to the depth of the patient's body (Foci, organs, etc.).

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels der im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge löst.According to the invention by means of the in the characterizing ning part of claim 1 specified features ge solves.

Es ist zweckmäßig, eine zweite gleichphasig und synchron betriebene Spulenanordnung auf der Gegenseite des Körpers, d. h. gegenüber der ersten Spulenanordnung anzuordnen. Da durch tritt eine überraschend starke Verminderung der Tem peraturinhomogenität in z-Richtung (Tiefe des Körpers) auf ¹/₄ des bisherigen Wertes ein. Dieses Spulensystem wird vom gleichen Antrieb mit betätigt und gesteuert.It is expedient to arrange a second coil arrangement operated in phase and synchronously on the opposite side of the body, ie opposite the first coil arrangement. Since passes a surprisingly large reduction in Tem pera inhomogeneity in the z direction a (depth of the body) to ^_1/4 of the previous value. This coil system is operated and controlled by the same drive.

Es ist auch zweckmäßig, um die Temperatursteigerung an und nahe der Körperoberfläche niedrig zu halten und damit auch die Wirkung des von den Spulen ausgehenden elektrischen Feldes klein zu halten, den Anfang der Windung einer bzw. beider Spulenanordnungen, welche dem Körper am nächsten ist, auf Erdpotential zu legen (sehr hohe Hochfrequenzspannungen "Kondensatorfeldwirkung").It is also appropriate to increase the temperature and and keep it close to the body surface the effect of the electrical emanating from the coils To keep the field small, the start of the turn of one or both coil arrangements, which is closest to the body, to be connected to earth potential (very high high-frequency voltages "Capacitor field effect").

Weiterhin ist es zweckmäßig, um Entladungen durch die hohe Induktionsspannung gegenüber dem Patienten fernzuhalten, zwischen den Spulenanordnungen und dem Patienten jeweils eine radial geschlitzte Abschirmelektrode anzuordnen.Furthermore, it is useful to avoid high discharges Keep induction voltage away from the patient, between the coil assemblies and the patient, respectively to arrange a radially slotted shielding electrode.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be steht darin, daß die Steighöhe der Windungen der Spulenan ordnungen möglichst niedrig ist und die Windungen auf einem versilberten Kupferrohr gewickelt sind, welches den Quer schnitt einer langgestreckten Ellipse hat, wobei die Längs achse der Ellipse senkrecht zur Spulenachse steht.Another advantageous embodiment of the invention be is that the rise of the turns of the coils orders is as low as possible and the turns on one silver-plated copper pipe are wrapped, which is the cross has an elongated ellipse, the longitudinal axis of the ellipse is perpendicular to the coil axis.

Es ist auch vorteilhaft, die Spulenanordnungen außen zu küh len oder durch die Windungen ein Kühlmittel fließen zu lassen. It is also advantageous to cool the coil arrangements on the outside len or let a coolant flow through the turns.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn jede Spulenanordnung für sich oder beide gemeinsam in einer Halterung gegenüber ei nem Tumor im Patientenkörper justierbar ist.It is also useful if each coil arrangement for each other or both together in a holder opposite each other nem tumor in the patient's body is adjustable.

Ein weiterer Vorteil ist es, wenn die Amplituden der Spulen bewegung mittels bekannter mechanischer Steuereinrichtung getrennt für die Bewegung in x-Richtung und y-Richtung zwi schen Null und Maximum einstellbar sind. In x-Richtung er folgt zweckmäßigerweise die Bewegung hin- und hergehend mit konstanter Geschwindigkeit und in y-Richtung in Form einer Kippschwingung.A further advantage is when the amplitudes of the coil movement can be set separately for the movement in the x direction and y direction between zero and maximum by means of known mechanical control devices. In the x direction it expediently follows the movement back and forth at constant speed and in the y direction in the form of a tilting oscillation.

Schließlich besteht eine zweckmäßige Ausgestaltung auch darin, daß die Achse des oder der Spulenanordnungen gegenüber dem Tumor als Rotationszentrum bewegbar ist.Finally, an expedient embodiment also consists in that the axis of the or the coil arrangements with respect to the Tumor is movable as a center of rotation.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu tert.In the drawing, an embodiment of the invention is explained in more detail tert.

Fig. 1 Diagramm der relativen Temperaturzunahme bei Wirbel stromerwärmung ohne Rasterung, Fig. 1 graph of relative temperature increase in eddy current heating without screening,

Fig. 2 Diagramm der relativen Temperaturzunahme bei Wirbel strom-Rasterhyperthermie mit zwei Spulensystemen, Fig. 2 graph of relative temperature increase in eddy current raster hyperthermia with two coil systems,

Fig. 3 Prinzip einer Rasterhyperthermie-Einrichtung im Schnitt, Fig. 3 shows a schematic of a raster hyperthermia device in section,

Fig. 4 Blockbild einer Rasterhyperthermie-Einrichtung. Fig. 4 block diagram of a raster hyperthermia device.

Im Diagramm in Fig. 1 ist anhand eines Gelatinephantoms, mit welchem die Verhältnisse des menschlichen lebenden Körpers nachgebildet sind, die relative Temperaturzunahme Δ T bei Wir belstromerwärmung durch das HF-Magnetfeld einer Kreiswindungs spule als Funktion des Achsenabstandes x und Tiefe Δ z oh ne Rasterbewegung der Spulensysteme dargestellt. Daraus ist der entscheidende Nachteil der bekannten Diathermie-Einrich tungen zu erkennen. Die relative Temperatursteigerung Δ T als Funktion des Achsenabstandes x und der Tiefe Δ z im be reich von 0,3 bis 10 cm Tiefe eine sehr große Temperaturinho mogenität. Diese ist so groß, daß eine einwandfreie Lokalhyper thermie von beispielsweise tiefer liegenden Tumoren oder auch oberflächennahen größeren Tumoren nicht möglich erscheint.In the diagram in Fig. 1 is based on a gelatin phantom, with which the conditions of the human living body are simulated, the relative temperature increase Δ T with eddy current heating by the HF magnetic field of a circular winding coil as a function of the axial distance x and depth Δ z without grid motion of the coil systems shown. This shows the decisive disadvantage of the known diathermy devices. The relative temperature increase Δ T as a function of the center distance x and the depth Δ z in the range from 0.3 to 10 cm depth is a very large temperature inhomogeneity. This is so large that a perfect local hyper thermie of, for example, deeper tumors or larger tumors near the surface does not seem possible.

Aus dem Diagramm Fig. 2 ist zu erkennen, welchen großen Vorteil die vorgeschlagene Einrichtung bringt, indem bei divergentem magnetischem HF-Wirbelfeld eine Rasterbewegung der Spulensyste me in x- und y-Richtung zur Anwendung kommt und außerdem zwei Spulensysteme benutzt werden. Auch dem in der Tiefe liegenden Gewebe wird eine hohe und relativ homogene Wärmeenergie zuge führt. Viel weniger und viel seltener als bisher wird die Höhe der dem Zielgewebe zugeführten Wärmeenergie durch Mitüberhit zung von hautnahen Geweben vorzeitig begrenzt.The diagram in FIG. 2 shows the great advantage of the proposed device in that, in the case of divergent magnetic HF swirl fields, a raster movement of the coil systems in the x and y directions is used and two coil systems are also used. A high and relatively homogeneous thermal energy is also supplied to the tissue lying in the depth. Much less and much less than before, the amount of thermal energy supplied to the target tissue is prematurely limited by overheating tissues close to the skin.

Eine Einrichtung als einfachste Ausführungsform ist im Prinzip, wie in Fig. 3 gezeigt, aufgebaut. Der Körper des Patienten 1 liegt auf einer Trage 2 aus Isolierstoff mit einer Aussparung 3. Im Bereich der Aussparung 3 liegt der Teil des Körpers, der behandelt werden soll, und zugleich ist das der Bereich, der abgerastert wird, d. h., in dem sich das Spulensystem 4; 4′ in geringem Abstand von dem Körper in x- und y-Richtung bewegt. Das Spulensystem 4; 4′ besteht aus mehreren Windungen und ist auswechselbar zur Anpassung an die Geometrie der Krebsgewebe 5. Es ist an Armen 6 befestigt, die mit einem geeigneten elektro mechanischen Antrieb verbunden sind.A device as the simplest embodiment is in principle constructed as shown in FIG. 3. The body of the patient 1 lies on a stretcher 2 made of insulating material with a recess 3 . In the area of the recess 3 is the part of the body that is to be treated, and at the same time that is the area that is scanned, ie in which the coil system 4; 4 ' moved a short distance from the body in the x and y directions. The coil system 4; 4 ' consists of several turns and is interchangeable to adapt to the geometry of the cancerous tissue 5th It is attached to arms 6 , which are connected to a suitable electro-mechanical drive.

Das gesamte Wirkprinzip ist aus Fig. 4 zu erkennen. Das Spulen system 4 wird von einem HF-Sender 8 (5 kW, ∼ 27 MHz) gespeist. Um bei hohen Sendeleistungen Spannungsdurchschläge zwischen den möglichst eng zu wickelnden Spulen zu vermeiden, ist eine ent sprechende Isolation, wie Ölisolation oder fluorierter flüssi ger Kohlenwasserstoff, vorgesehen. Dieser Kohlenwasserstoff hat neben der guten Isolation, kleinem Verlustwinkel und kleiner Dielektrizitätskonstante noch die gute Eigenschaft der Kühlung der Spule. Mittels des Antriebes 7, der vom Steuergerät 9 ge steuert wird, bewegt sich das Spulensystem 4 in x- und y-Rich tung. Die x-Periode beträgt dabei 10 min^-1 und die y-Periode 0,5 min^-1. The entire operating principle can be seen from FIG. 4. The coil system 4 is fed by an RF transmitter 8 (5 kW, ∼ 27 MHz). In order to avoid voltage breakdowns between the coils that are to be wound as tightly as possible at high transmission powers, appropriate insulation, such as oil insulation or fluorinated liquid hydrocarbon, is provided. In addition to good insulation, a small loss angle and a low dielectric constant, this hydrocarbon also has the good property of cooling the coil. By means of the drive 7 , which is controlled by the control unit 9 , the coil system 4 moves in the x and y directions. The x period is 10 min ^-1 and the y period is 0.5 min ^-1 .

Der Effekt dieser Wirbelstromhyperthermie im lebenden Gewebe beruht physikalisch auf der Wirbelverkopplung zwischen Magnet feldern und elektrischen Feldern. Gemäß der 2. Maxwell'schen Feldgleichung induziert ein veränderliches Magnetfeld ein elektrisches Feld. Das induzierte elektrische Feld erzeugt einen Strom, dessen Stärke von der Leitfähigkeit des Mediums abhängt. Der Homogenisierungseffekt der Energiezufuhr durch die Rasterung (Fig. 2) beruht darauf, daß infolge der Felddi vergenz die Energiedurchtrittsfläche an der Gewebeoberfläche sehr klein ist, dagegen in Ebenen großer Tiefe groß ist. Durch die Hinzunahme der zweiten gleichsinnig vom Hochfrequenzstrom durchlaufenen Spulenanordnung 4′ wird, wie Messungen an einem Gelatinephantom bewiesen haben, die Temperatursteigerung in der Gewebemitte überraschenderweise um fast den Faktor 4 ver größert. The effect of this eddy current hyperthermia in living tissue is based physically on the eddy coupling between magnetic fields and electrical fields. According to Maxwell's 2nd field equation, a variable magnetic field induces an electric field. The induced electric field generates a current, the strength of which depends on the conductivity of the medium. The homogenization effect of the energy supply through the screening ( Fig. 2) is based on the fact that, due to the field di vergence, the energy passage area on the tissue surface is very small, but is large in planes of great depth. By the addition of the second coil arrangement 4 ' passed through in the same direction by the high-frequency current, measurements on a gelatin phantom have surprisingly shown that the temperature increase in the middle of the tissue is surprisingly increased by almost a factor of 4.

List of reference symbols and formula symbols used 1 patient
2 stretcher
3 recess
4 coil arrangement
4 ' coil arrangement
5 cancerous tissues
6 arm
7 drive
8 RF transmitters
9 control unit
x Direction across the body axis
y Direction along the body axis
z direction in the body
Δ T temperature increase
Δ z depth of the body

Claims

1. A device for partial hyperthermia of the human body, which generates a divergent magnetic HF vortex field by means of a moving coil system and is fed by an RF transmitter, characterized in that the coil system consists of a coil arrangement ( 4 ), which has an arm ( 6 ) with an electromechanical drive ( 7 ), which causes a raster-shaped movement of the coil arrangement ( 4 ) in the x - and y direction in a predetermined area.

2. Device according to claim 1, characterized in that at a distance from the coil arrangement ( 4 ) a two te coil arrangement ( 4 ' ) is provided, which with the first coil arrangement ( 4 ) from the drive ( 7 ) operated in phase and synchronously is.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the closest to the body surface of the patient ( 1 ) turn of one or both coil arrangements ( 4; 4 ' ) is connected to earth potential.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that between a respective coil arrangement ( 4; 4 ' ) and the body of the patient ( 1 ) a radially slotted shielding electrode is arranged.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the or both coil arrangements ( 4; 4 ' ) are tightly wound on a tube with an elliptical cross section and the longitudinal axis of the ellipse each perpendicular to the axis of the coil arrangement ( 4; 4 ′ ).

6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that both coil arrangements ( 4; 4 ' ) are cooled by coolant flowing around or through the coils.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that each coil arrangement ( 4; 4 ' ) for itself or both together in a holder with respect to the patient ( 1 ) or tumor ( 5 ) is or are adjustable .

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the amplitudes of the movement of the coil arrangements ( 4; 4 ' ) with a with the drive ( 7 ) Kopel control device ( 9 ), separately for the x - and y direction, are adjustable.

9. Device according to claim 8, characterized in that the drive ( 7 ) is designed so that the movement in the x direction at a constant speed and in the y direction can be carried out in the form of a tilting vibration.

10. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the axis of the coil arrangement (s) ( 4, 4 ' ) can be moved relative to the tumor ( 5 ) as a center of rotation.