DE2815156C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen sehr hoher Frequenz, insbesondere für die Anwendung auf medizinischem Gebiet.

Bei einer solchen Anordnung, die aus der Zeitschrift IEEE Transactions of Microwave Theory and Techniques, Bd. MTT-19, Nr. 2, 1971, S. 238 bis 245 bekannt ist, werden Mikrowellen von einer Sonde abgestrahlt, die an einen Mikrowellengenerator angeschlossen ist. Bei der bekannten Anordnung wird die Sonde gegen die Oberfläche des zu erwärmenden Gewebes gehalten. Zur Messung der Gewe­ betemperatur werden Thermoelemente in das Gewebe eingeführt. Eine solche Temperaturmessung ist aber problematisch, weil die Thermoelemente in Wechselwirkung mit den eingestrahlten Mikrowellen treten.

Aus der DE-PS 9 36 281 ist ferner bereits eine Anordnung zur Hochfrequenzbehandlung von Körperhöhlen mit Ultra­ kurzwellen bekannt, bei welcher eine am Ende einer Koaxialleitung gebildete Sonde in den Körper eingeführt wird. Die Sonde ist ein Schlitzstrahler, der dadurch gebildet ist, daß die Koaxialleitung an ihrem Ende durch eine ebene Stirnfläche kurzgeschlossen ist und der Außenleiter in geringem Abstand von dieser Stirnflä­ che einen Querschlitz über die Hälfte seines Umfanges auf­ weist. Auf diese Weise wird die gewünschte, ausgeprägte Richtcharakteristik des Schlitzstrahlers erreicht. Eine Kontrolle der Gewebetemperatur wird aber nicht vorgenom­ men.

Bekanntlich kann die örtliche Erwärmung eines Organs oder eines Organteils entweder für sich allein oder in Verbin­ dung mit einer anderen medizinischen Behandlung, wie der Radiotherapie oder der Chemotherapie, beträchtliche thera­ peutische Wirkungen haben. Es ist aber wichtig, daß die erreichten Gewebetemperaturen innerhalb bestimmter Grenzen liegen.

Die Temperaturerhöhung der verschiedenen Bereiche eines Organs ist schwierig zu erkennen, da komplizierte Bezie­ hungen zwischen der Erwärmungsdauer, der Art des lebenden Gewebes und der erreichten Temperatur bestehen. Es wird insbesondere gefordert, daß an keiner Stelle eine Tempe­ ratur von 47°C überschritten werden darf, die selbst in kurzer Zeit das Absterben der lebenden Gewebe zur Folge hätte.

Im Fall der Diathermie kann man in gewissem Maße durch Einwirkung auf die Form und die Abmessungen der Elektroden den zu erwärmenden Bereich abgrenzen. Die Abmessungen des der Erwärmung ausgesetzten Bereichs sind jedoch zwangsläu­ fig von der Größenordnung des gegenseitigen Abstands der Elektroden, und demzufolge ist, je nach dem betroffenen Bereich des Körpers, das erwärmte Volumen gegebenenfalls sehr viel größer als erwünscht.

Ferner kann man die Verteilung der Temperatur beim Erwär­ men nicht beherrschen. So ist beispielsweise die Leistung pro Volumeneinheit, die in einem Fettgewebe absorbiert wird, sehr viel größer als in einem Muskelgewebe. Dieser Effekt kann die Behandlung in bestimmten Fällen unwirksam machen, da eine gegebene Temperatur in einem bestimmten Gewebe nur auf Kosten des Absterbens der benachbarten Gewebe erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe durch elektromagne­ tische Wellen sehr hoher Frequenz dahingehend weiterzubil­ den, daß auch durch sie die Temperatur, auf die das Gewebe erwärmt wird, bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der vorausgesetzten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe unter Anwendung von elektromagnetischen Wellen sehr hoher Frequenz wird eine genaue Lokalisierung des erwärmten Gebietes erreicht, da die Sonde in das Gewebe eingeführt wird. Durch die Verwendung eines Meßempfängers für die von dem Gewebe wieder abgestrahlten elektromagne­ tischen Wellen kann die Temperatur der wärmsten Stelle im Gewebe gemessen werden. Darüber hinaus kann die Temperaturverteilung in dem behandelten Gewebe ermittelt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels einer Anordnung zur Eichung des Meßempfängers,

Fig. 3 bis 6 schematische Schnittansichten von Ausfüh­ rungsbeispielen von Sonden,

Fig. 7 ein erläuterndes Diagramm,

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels einer Sonde mit eingebautem Thermoelement,

Fig. 9 eine Einführungskanüle für das Anbringen einer Sonde und

Fig. 10 ein erläuterndes Diagramm.

Die in Fig. 1 als Beispiel dargestellte Anordnung erhält einen schematisch durch ein Rechteck dargestellten Hochfrequenz­ generator 1 für die Versorgung einer Sonde 5 über eine Leitung 11, beispielsweise eine Koaxialleitung, einen Umschalter 3 und ein Koaxialkabel 4.

Der Hochfrequenzgenerator 1 arbeitet mit fester oder veränderlicher Frequenz im Bereich von 200 bis 2000 MHz (oder gegebenenfalls auch unter 200 MHz).

Mit dem Umschalter 3 ist es möglich, die Leitung 11 abzu­ trennen und das Koaxialkabel 4 über eine Leitung 12 mit einem Meßempfänger 2 zu verbinden. Ein solcher Empfänger von an sich bekannter Art enthält mehrere Strahlungsmeßeinrichtungen, die auf verschiedenen Frequenzbändern arbeiten. In einem derartigen Empfänger sind die Meßgeräte, welche die in jedem Frequenzband bestehenden Rauschpegel angeben, direkt in Temperaturgraden geeicht. Es ist ferner möglich, den Empfänger mit einem Rechengerät und Peripherie-Organen auszustatten, welche die Verteilung der Temperaturen in einem die Sonde umgebenden Bereich angeben. Ein mit einem Rechner ausgestatteter Empfänger für fünf Frequenzbänder ermöglicht die Anzeige von fünf Temperaturen in verschie­ denen Abständen von der Sonde. Beispielsweise genügt eine Meßdauer von der Größenordnung einer Sekunde zur Messung der maximalen Temperatur bis auf einen Bruchteil eines Grads genau in einem Frequenzband, das von 0,2 F bis 2 F geht, wenn F die Frequenz der zur Erwärmung verwendeten Wellen ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ermöglicht die Eichung des Meßempfängers. Es wird der gleiche Hochfrequenz­ generator wie in Fig. 1 verwendet, aber in die Sonde 5 ist ein Thermo­ element eingebaut, das später beschrieben wird. Dieses System ist über eine Zweidrahtleitung 22 mit einem thermo­ metrisch geeichten Voltmeter 20 verbunden. Das Leitungspaar des Koaxialkabels 4 ist über eine Koaxialleitung 21 unter Einfügung eines Schalters 23 mit dem Hochfrequenzgenerator 1 ver­ bunden.

Die Erwärmung kann dadurch gesteuert werden, daß den An­ ordnungen von Fig. 1 und 2 ein herkömmliches Regelsystem zugeordnet wird.

Die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten drei Sonden sind Ausführungsbeispiele, die so ausgebildet sind, daß sie die Haut durchstoßen und in die lebenden Gewebe des menschlichen Körpers eindringen können. Das Anbringen der Sonden kann durch eine Nadel erleichtert werden, die "Einführungs-Kanüle" (Fig. 9) genannt wird, und deren Durchmesser sehr klein sein kann, beispielsweise in der Größenordnung von 1 mm. Die Sonde und das die Sonde ver­ längernde Koaxialkabel haben beispielsweise einen Durch­ messer von 0,85 mm und werden in der Kanüle angebracht, bevor diese in den menschlichen Körper eingeführt wird. Nach dem Eindringen und Plazieren der Anordnung wird die Kanüle vorsichtig herausgezogen, wobei man sie auf dem Koaxialkabel gleiten läßt.

Eine Sonde der in Fig. 3 gezeigten Art wird einfach da­ durch erhalten, daß ein Koaxialkabel von kleinem Durch­ messer abgeschnitten und der Außenleiter 51 über eine Länge von beispielsweise zwei Zentimetern ent­ fernt wird. Das Dielektrikum 52 ist eine organische Verbindung, die bei der Temperatur des menschlichen Körpers fest ist, beispielsweise Polytetrafluoräthylen. Der Innenleiter 53 dient als Antenne für die Abstrahlung der elektromagneti­ schen Wellen in das lebende Gewebe, wobei das freigelegte Dielektrikum als Impedanzanpassungsglied zwischen der Antenne und dem Ausbreitungsmedium dient.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Sonden sind ab­ geänderte Ausführungen, bei denen der Innenleiter 53 entweder über die ganze Länge der Antenne oder über deren halbe Länge freigelegt ist, wobei der Außenleiter über eine Strecke von gleicher Größenordnung wie in Fig. 3 entfernt ist. Die Wahl der Länge der Antenne erfolgt in Abhängigkeit von dem Wellenwiderstand des Koaxialkabels und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung (bei­ spielsweise 2 cm für ein Kabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm in einem Frequenzbereich von 300 bis 2500 MHz).

In Fig. 7 ist ein Diagramm gezeichnet, das den Bruchteil der reflektierten Leistung (in %) für die Sonden der Fig. 3 bis 5 in Abhängigkeit von der vom Generator er­ zeugten Frequenz abgibt. Es ist zu ersehen, daß die drei entsprechenden Kurven jeweils einen exponentiell abfallen­ den Abschnitt aufweisen, der eine Gerade mit der Ordinate 10% an einem Punkt schneidet, der die folgende Lage hat:

• - zwischen 300 und 500 MHz für die Kurve 31 (Sonde von Fig. 3);
• - zwischen 900 und 1500 MHz für die Kurve 32 (Sonde von Fig. 4);
• - zwischen 1800 und 2000 MHz für die Kurve 33 (Sonde von Fig. 5).

Daraus ist zu entnehmen, daß der im Organ in Form von Wärme (durch dielektrische Verluste) vernichtete Prozent­ satz der Gesamtleistung sehr groß ist (über 90%), sobald eine Mindestfrequenz überschritten wird, die für die Art der verwendeten Sonde bei einem Kabel mit gegebenem Wel­ lenwiderstand und für ein gegebenes Gewebe kennzeichnend ist.

Mit der gleichen Sonde kann man unterschiedliche Eindring­ tiefen durch Änderung der Frequenz erhalten; daraus er­ gibt sich der Vorteil der Verwendung eines Generators, dessen Frequenz insbesondere durch ein Informationsprogramm veränderlich ist.

Die in Fig. 6 dargestellte Sonde ist von anderer Art; sie ist für die Einführung in die menschlichen Körperöffnungen auf natürlichem Wege geeig­ net. Sie unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Sonden nur durch das Vorhandensein einer eiförmigen Um­ hüllung aus dielektrischem Material, das in Abhängigkeit von seinen physikalischen Eigenschaften (insbesondere mit ähnlicher Dielektrizitätskonstante wie das Dielektri­ kum 52) und von seinen chemischen Eigenschaften (Unschäd­ lichkeit für das lebende Gewebe) gewählt ist, beispiels­ weise aus einem Silicon. Es kann auch Polytetrafluoräthylen verwendet werden.

Fig. 8 zeigt ein Thermoelement, das in das eine Sonde 5 speisende Koaxialkabel 4 eingebaut ist. Ein Draht 41 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (60% Kupfer, 40% Nickel), die unter dem Warenzeichen Konstantan bekannt ist, ist am Um­ fang des Koaxialkabels 4 angeordnet, jedoch durch ein Dielektri­ kum 42 vom Außenleiter 51 des Koaxialkabels isoliert. In unmittelbarer Nähe der Sonde 5 ist dieser Draht an der mit dem Bezugszeichen 410 bezeichneten Stelle an den Außenleiter 51 angeschweißt. Der Draht 41 tritt am anderen Ende des Koaxialkabels 4 aus, wo er mit einem ersten Leiter der Zweidrahtleitung 22 verbunden ist, die in Fig. 2 durch eine einfache Linie dargestellt ist, während der zweite Leiter der Zweidrahtleitung mit dem Außenleiter 51 verbunden ist. Ein solches System ergibt mit Hilfe des zuvor beschriebenen thermometrisch geeichten Voltmeters eine Messung der Temperatur unmittelbar am Ort der Sonde.

Fig. 10 bezieht sich auf ein System mit zwei Sonden 101 und 102, die parallel in einem zu behandelnden Organ angeordnet sind. Das Anbringen der beiden Sonden kann durch Verwendung eines Systems mit zwei Einführungs­ kanülen erfolgen, die parallel zueinander durch eine Metallplatte verbunden sind, auf der sie an ihren End­ abschnitten angelötet sind, während die Spitzen der Kanüle freibleiben.

Es sei die Symmetrieachse des Systems der beiden Sonden durch die Linie X-X dargestellt. Wenn man auf der Abszisse die entlang einer Achse gemessenen Abstände der verschie­ denen Punkte des zu behandelnden Organs von der Symmetrie­ achse aufträgt und auf der Ordinate die Temperaturdifferenz Δ T zwischen der Temperatur der verschiedenen Punkte des erwärmten Bereichs und der normalen Temperatur des zu behandelnden Organs, erhält man die Kurve 100. Eine solche Kurve hat zwei ab­ gerundete Scheitel, die jeweils an der Stelle der einen bzw. der anderen der beiden Sonden liegen. Es ist zu er­ kennen, daß der erwärmte Bereich beträchtlich verbreitert ist, und daß eine gewisse Vergleichmäßigung der Temperatur eintritt. Man kann auch Systeme mit drei oder vier Einfüh­ rungskanülen verwenden, die in gleicher Weise wie das System mit zwei Kanülen parallel zueinander fest verbun­ den sind.

Wenn mehreren Sonden verwendet werden, können diese jeweils über ein Koaxialkabel, das gegebenenfalls mit einem Thermo­ element ausgestattet sein kann, parallel zueinander mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden sein, wobei gegebenenfalls ein Umschalter der in Fig. 1 dargestellten Art eingefügt sein kann.

Claims (10)

1. Anordnung zum örtlichen Erwärmen von lebendem Gewebe unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen sehr hoher Frequenz, mit einer Sonde, die für die Abstrahlung der Wellen ausgebildet und mit einem die elektrische Energie liefernden Hochfrequenzgenerator verbun­ den ist, und mit einer Einrichtung zur Messung der Tem­ peratur des erwärmten Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß die in das zu erwärmende Gewebe einzuführende Sonde (5) auch mit der Einrichtung zur Messung der Temperatur ver­ bunden ist, die als Meßempfänger (2) für die von dem Gewebe wieder abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (5) durch das Endstück eines Koaxial­ kabels (4) mit festem Dielektrikum (52) gebildet wird und daß der Außenleiter (51) des Koaxialkabels auf eine Länge entfernt ist, die von der Größenordnung der halben Be­ triebswellenlänge ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freigelegte feste Dielektrikum (52) wenigstens über einen Teil der Länge der Sonde (5) entfernt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sonde (5) von einer Umhüllung aus dielektri­ schem Material umgeben ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Dielektrikum (52) des Koaxialkabels Polytetra­ fluoräthylen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Polytetrafluoräthylen besteht.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einem Silicon besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßempfänger (2) für mehrere Frequenzbänder ausgelegt ist und eine Temperaturanzeigevorrichtung für jedes der Frequenzbänder enthält.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßempfänger (2) einen Rechner und Peripherie-Organe enthält, welche die Verteilung der Temperaturen in einem die Sonde (5) umgebenden Bereich angeben.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (1) durch ein Regelsystem über die gemessene Temperatur gesteuert ist.