DE2827003C2

DE2827003C2 - Einrichtung zur Mikrowellen-Hyperthermiebehandlung

Info

Publication number: DE2827003C2
Application number: DE2827003A
Authority: DE
Inventors: Fred Princeton N.J. Sterzer
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1978-06-20
Publication date: 1986-09-18
Also published as: US4190053A; JPS5753110B2; JPS547789A; FR2395039B1; GB2000335A; DE2827003A1; GB2000335B; FR2395039A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. MTT-19, Nr. 2, Febr. 1971, S. 238 bis 245 beschrieben.

Maligne Tumore (Krebsgeschwüre) werden oft chirurgisch entfernt. In gewissen Fällen ist jedoch eine operative Behandlung nicht angezeigt.

Die Ärzte wissen ferner seit alters her, daß Krebspatienten in vielen Fällen dadurch erfolgreich behandelt werden können, daß man die Temperatur des Tumors erhöht, diese Behandlung wird häufig kurz als Hyperthermie bezeichnet. Eine Möglichkeit der Hyperthermie besteht darin, die Temperatur eines größeren Teiles des Körpers des Patienten, in dem sich der Tumor befindet, zu erhöhen. In den späten sechziger Jahren wurden z. B. Tumore in Armen und Beinen durch Perfusion dieser Gliedmaßen mit heißem Blut behandelt. Bei der Behandlung von Patienten mit Blasentumoren wurde die Blase mit heißer Flüssigkeit durchgespült. 1974 wurden Patienten von schottischen Ärzten in heißem Wachs ^gebadet. Andere Ärzte haben die Erhöhung der Körpertemperatur durch Infektion des Patienten mit Malaria bewirkt.

Es ist bekannt, daß bestimmte Tumore bei einer Temperatur von etwa 43⁰C schrumpfen oder verschwinden. Ein auf dieser Kenntnis beruhendes bevorzugtes Hyperthermieverfahren zur Tumorbehandlung mit dieser Temperatur besteht darin, nur dasjenige Gewebe zu erwärmen, das den Tumor enthält. Aus der eingangs angegebenen Veröffentlichung IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-19, No. 2, Febr. 1971, S. 238-245 ist es bekannt, für die Erhöhung der Temperatur des sogenannten »örtlichen Gewebes« das an den Tumor angrenzt und diesem nahe benachbart ist, Mikrowellen zu verwenden. Die Eindringtiefe der Mikrowellenenergie in das Körpergewebe ist bekannt und stellt eine stetige Funktion der verwendeten Frequenz dar. Die Temperatur des Gewebes hängt direkt von der Leistung oder Intensität der der Oberfläche des Körpergewebes zugeführten Mikrowellenenergie ab. Das Volumen des zu erwärmenden Gewebes läßt sich durch die elektrische und geometrische Ausbildung c'es Mikrowellenapplikators beeinflussen, also durch die Vorrichtung, die die Mikrowellen abstrahlt oder anderweitig zur Einwirkung bringt Die Mikrowellenstrahlung läßt sich so steuern, daß die Temperatur eines bekannten Volumens des Gewebes, das von der Oberfläche der Haut bis zu einer bekannten Tiefe unterhalb der Haut reicht, schnell erhöht wird. Während der Mikrowellenbestrahlung soll eine Überhitzung sowohl des Tumors als auch des umgebenden lebenden Gewebes verhindert werden. Die Temperatur des lebenden Gewebes, insbesondere am Ort des Tumors, soll daher genau gemessen werden können.

Es ist aus der o. g.Veröffentlichung auch bekannt, die Gewebetemperatur bei der Hyperthermiebehandlung durch Thermoelemente zu messen. Die Thermoelemente werden entweder auf der Oberfläche der Haut angebracht oder durch einen Eingriff unter der Haut angeordnet Das Thermoelement, das die Temperatur während der Mikrowellenbehandlung mißt, kann auch zum Abschalten der Mikrowellenbestrahlung des Gewebes verwendet werden, wenn eine vorgegebene Temperatur erreicht ist. Mit Thermoelementen läßt sich die Temperatur des Gewebes jedoch nur an der räumlich sehr begrenzten Berührungsstelle zwischen Thermoelement und Gewebe messen. Eine eimgermU'en genaue Temperaturmessung ist daher nur bei implantiertem Thermoelement möglich, was jedoch einen chirurgischen Eingriff erfordert. Durch ein Thermoelement, das ja aus Metall besteht, treten außerdem Verzerrungen des einwirkenden Mikrowellenfeldes und zusätzliche Erwärmungseffekte auf, was zusätzlich zur Ungenauigkeit der Temperaturmessung beiträgt. Thermoelemente können ferner als Strahlungsaufnehmer wirken und Signale oder Energie anderer Frequenzen als der einwirkenden Mikrowellen aufnehmen, wodurch die Temperaturmessung ebenfalls beeinträchtigt werden kann. Alles in allem läßt sich mit Thermoelementen nicht diejenige Genauigkeit der Temperaturmessung erreichen, die für optimale Ergebnisse der Hyperthermiebehandlung benötigt wird.

Es ist ferner bekannt, zur Diagnose maligner Tumore die subkutane Gewebetemperatur mit Hilfe eines Mikrowellenempfängers, der vom Gewebe abgegebene Strahlung erfaßt, zu messen (Science, Band 190. 14. November 1975, Seiten 669-671). In The Review of Scientific Instruments, Band 17, Nr. 7, Juli 1946, Seiten 268 bis 275, sind ferner Anordnungen beschrieben,| mittels derer Strahlung im^MikrowellehbereicR^gemessen)werden kann.

Die Erwärmung von lebendem Gewebe durch Mikrowellen ist im übrigen nicht auf die Tumorbehandlung beschränkt, sondern wird auch bei einer Reihe anderer Erkrankungen angewendet.

Durch die vorliegende Erfindung soli eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben werden, mit der die Temperatur des erwärmten Gewebevolumens, gleichgültig ob es einen Tumor enthält oder nicht, genau gemessen werden kann, wobei gleichzeitig eine Gefahr für den Patienten ausgeschlossen und eine erfolgreiche Hyperthermiebehandlung gewährleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht eine genaue und zuverlässige Temperaturmessung ohne operativen Eingriff, so daß die optimalen Behandlungstemperaturen in engen Grenzen eingehalten werden können.

Bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung wird also im Zuge einer Hyperthermiebehandlung von lebendem Gewebe das Gewebe mit Energiesignaler. einer vorgegebenen Frequenz und Intensität bestrahlt \:ud es wird von dem bestrahlten lebenden Gewebe abgestrahlte Energie gemessen, die in einer Beziehung zu der vorgegebenen Frequenz steht und vorzugsweise gleich dieser Frequenz ist

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform;

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines in der Ausführungsform gemäß F i g. 1 enthaltenen Steuerteils;

Fig.3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Signalen, die im Steuerteil verwendet oder erzeugt werden;

Fig.4 ein Schaltbild eines in der Aijsführungsform gemäß F i g. 1 enthaltenen Taktgebers;

F i g. 5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Taktsienalen des Taktgebers gemäß Fig.4;

F i g. 6A und 6B graphische Darstellungen des Temperaturprofils eines bestimmten Gewebevokimens.

F i g. 1 zeigt die Anordnung der Hauptteile einer bevorzugten Ausführungsform einer Hyperthermiebehandlungseinrichtung. Sie enthält eine Mikrowellenquelle 100, welche ein Mikrowellensignal 18 liefert, welches über Anschlüsse 120 und 214 (z. B. eine Koaxialkabel-Steckverbindung) mit einem Steuerteil 200 verbunden ist, von dem aus sin Mikrowellensignal 20 über einen Anschluß 216 einem Applikator 600 zur Bestrahlung von Gewebe 300 während bestimmter, durch einen Taktgeber gesteuerter Intervalle zugeführt wird. Das zur Bestrahlung dienende Signal 20 wird unterbrochen, um es dem Gewehe 300 zu ermöglichen ein Signal (in Richtung einer Pfeilspitze 232) abzustrahlen, welches über den Steuerteil 200, Anschlüsse 222 und 223 sowie eine Leitung 220 einer Anordnung 500 einer Temperaturmeßvorrichtung zugeführt wird.

Bei der Mikrowellenquelle 100 handelt es sich um einen üblichen, abstimmbaren Mikrowellengenerator, der Hochfreqüenzsignale im Frequenzbereich von 900 -bis 10 000 MHz mit Leistungen in der Größenordnung von 1,0 bis 100 Watt zu erzeugen vermag. Die Mikrowellcnquelle 100 wird so eingestellt, daß am Anschluß 120 ein Signal zuf¥orfügung steht, dessen Frequenz die gewünschte Eindringtiefe in das Körpergewebe und dessen Leistung die gewünschte Erhitzung des lebenden Körpergewebes ergibt

Der Steuerteil 200 leitet die Mikrowellen 18 von einer

Eingangsanleitung 110 über den Ausgangsanschluß 216 zum Applikator 600 weiter. Beispiele von Schaltungen für den Steuerteil 200 und den Taktgeber 400 werden anhand von F i g. 2 bzw. 4 erläutert

Bei dem Applikator 600 handeis es sich um eine Mikrowellen-Hochfrequenzleitung, ζ. Β. einen Hohlleiter, einen Hornstrahler oder dgl., durch den das Mikrowellensignal 20 auf das Körpergewebe 300 gekoppelt werden kann. Der Applikator 600 ist vorzugsweise mit einem dielektrischen Material gefüllt das eine Dielektrizitätskonstante hat die im wesentlichen gleich der Dielektrizitätskonstanten des lebenden Gewebes 300 ist Typischerweise liegt die Dielektrizitätskonstante des im Applikator 600 enthaltenen Materials und des Gewebes im Bereich von 5 bis 50. Der Eingang des Applikators 600 ist mit dem Steuerteil z. B. über ein 50 Ohm-Koaxialkabel 230 und den Anschluß 216, z. B. eine Koaxialsteckverbindung oder dgl., verbunden. Durch den Applikator 600 wird die Impedanz des Glebes 300 im wesentlichen an die Impedanz des Anschlusses 216 angepaßt Der Applikator 600 kann irgend eine geeignete Form haben. Anstelle des in F i g. 1 dargestellten Applikators 600 kann auch ein mit dielektrischem fviaterial gefüllter Koaxial-Applikator verwendet werden.

Die zur Messung der Strahlungsenergie dienende Anordnung 500 kann in bekannter Weise aufgebaut sein. Sie ist vorzugsweise auf ein wählbares Frequenzband im Mikrowellenbereich abstimmbar, insbesondere auf den Frequenzbereich des Mikrowellensignals 18. Die Anordnung 500 ist geeicht oder auf andere Weise so ausgebildet, daß es ein Signal erzeugt, das die mittlere Temperatur der erfaßten Wärme- oder Strahlungsenergie darstellt Die Anordnung 500 enthält ferner eine Sensorschaltung, die ein Temperatursteuersignal 38 auf einer Ausgangsleitung 510 erzeugt, das dazu dient, einen vorgegebenen Temperaturbereich (z.B. 43,0 + 0,5⁰C) entsprechend der seinem Eingangsanschl'iß 22λ zugeführten gemessenen Strahlungsenergie aufrecht zu halten. Die Vorderflanke 38a (Fig.4) des Signals 38 wird alt j beispielsweise erzeugt, wenn die Temperatur entsprechend der von der Anordnung 500 gemessenen Strahlungsenergie etwa 43,5° C ist urd das Signal bleibt dann bestehen, bis die Temperatur auf etwa 42,5° C abgefallen ist und die Rückflanke 386 aui tritt und das Signal wieder auf Null abfällt, wie auch durch die letzte Kurve in F i g. 3 dargestellt ist.
Der Taktgeber 400 liefert Taktsignale 31, die die Abschaltzeiten der Anordnung 500 bestimmen, während denen das Mikrowellensignal 20 von der Mikrowellenquelle 100 dem lebenden Gewebe 300 zugführt und in diesem absorbiert wird, und ein Steuersignal 30 für die Eins^hgltperiode der Anordnung 500, während der die Besirahlungsenergie des erhitzten Gewebes 300 gemessen wird. Das den; Taktgeber 400 zugeführte Signal 38 bewirkt, daß der Steuerteil 200 das Mikrowellensignd 20 vom Applikator 600 auf eine künstliche Belastung oder Antenne 700 umschaltet und die Anordnung 5OC die Strahlungsenergie vom Gewebe 300 mißt Ohne die Bestrahlung durch das Mikrowellensignal 20 sinkt die Gewebetemperatur. Wenn die Gewebetemperatur etwa 42,5°C erreicht, was durch die Anordnung 500 festgestellt wird, fällt das Signal 38 auf Null ab und die Mikrowellen 20 werden dann wieder auf den Applikator 600 geschaltet, um das Gewebe 300 zu bestrahlen) während gleichzeitig die Anordnung 500 abgeschaltet wird, damit es nicht durch die hohe Energie der Mikrowellen

20 beschädigt wird.

Eine für den Steuerteil 200 geeignete Schaltung soll nun anhand der F i g. 2 und 3 erläutert werden. Die Eingangssignale von der mit der Mikrowellenquelle 100 verbundenen Leitung 110 sowie die Ausgangssignale zu der zum Applikator führenden Leitung 230 bzw. einer zur künstlichen Belastung 700 führenden Leitung 240 und zur Anordnung 500 werden durch PIN-Dioden 204, 208 bzw. 210 gesteuert. Die PIN-Dioden enthalten einen Halbleiterkörper mit der Zonenfolge P-leitend — eigenleitend — N-Ieitend. Anstelle dieser Dioden können selbstverständlich auch andere Mikrowellenschaltvorrichtungen, die die auftretenden Mikrowellenenergien zu schalten vermögen, verwendet werden.

Das Mikrowellensignal 18 von der Mikrowellenquelle 20 wird über Hochfrequenzleitungen 202 und 206 zum Applikator 600 übertragen. Die Hochfrequenzleitungen können Koaxialkabel, Hohlleiter, Bandleitungen usw. sein.

Die erste PIN-Diode 2Ö4 wird durch die positiven und negativen Taktspannungen 30 bzw. 31 gesperrt (Aus), bzw. aufgetastet (Ein), wie es in Fig.4 dargestellt ist. Gleichzeitig werden die zweite und die dritte PIN-Diode 208 bzw. 210 durch die positiven bzw. negativen Spannungen 30 bzw. 31 ein- bzw. ausgeschaltet. Die Taktspannungen 30, 31 werden über eine Leitung 410, eine Klemme 219 und eine Leitung 211 zugeführt.

Die erste PIN-Diode 204 verbindet im eingeschalteten Zustand die Hochfrequenzleitung 202 mit der Hochfrequenzleitung 206. so daß das Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal 18 über die Leitung 230 zum Applikator 600 gelangt Die zweite PIN-Diode 208 koppelt im eingeschalteten Zustand die Hochfrequenzleitung 202 über die Leitung 240 und den Anschluß oder Koppler 218 mit der z. B. aus einem Widerstand bestehenden künstlichen Belastung 700, so daß das Signal 18 während der Zeitspanne, ir. der der Applikator 600 nicht beauf-

Belastung 700 übertragen wird.

In F i g. 4 ist das Schaltbild und in F i g. 5 sind die zugehörigen Signale einer Schaltungsanordnung dargestellt, die sich als Taktgeber 400 für den Steuerteil 200 eignen. Selbstverständlich lassen sich die für die Hyperthermiebehandlung erforderlichen Taktsignale auch durch andere Taktgeberschaltungen erzeugen.

Der Taktgeber 400 gemäß F i g. 4 enthält als Zeitnormal eine 60 Hz-Quelle 402, aus deren Ausgangssignal 402a durch eine Teilerschaltung 404 ein 1 Hz-Signal 405a erzeugt wird. Aus diesem wird durch eine Teilerschaltung 406 mit dem Teilungsfaktor 10 auf einer Leitung 407 ein Signal 432 erzeugt das einen Impuls pro 10 Sekunden enthalt Das Signal 432 wird über ein ODER-Glied 414 einem Setzeingang und direkt einem Rücksetzeingang eines Meßperioden-Flipflops 416 zugeführt In der folgenden Diskussion wird angenommen, daß alle auf der Leitung 407 auftretenden Signale, wie das Impulssigna! 432, gleichzeitig sowohl dem Setzeingang als auch dem Rücksetzeingang des Flipflops 416 zugeführt werden. Es wird ferner vorausgesetzt daß das Flipflop 416 auf Signale, wie das Signal 432, durch Änderung seines Zustandes reagiert also vom gesetzten in den rückgesetzten Zustand umschaltet oder umgekehrt

Dem ODER-Glied 414 wird ferner über eine Leitung 510 das Temperatur- oder Steuersignal 38 von der Anordnung 500 zugeführt

In F i g. 5 ist der zeitliche Verlauf der verschiedenen Signale des Taktgebers 400 dargestellt Die bei der Erzeugung der Steuersignale 30 und 31 mitspielenden Taktsignale werden durch Teilung des schemalisch dargestellten ursprünglichen 60 Hz-Signales 402a durch 60 unter Erzeugung des Signals 405a und dann durch erneute Teilung durch 10 unter Erzeugung ddr Zehn-Sekunden-Impulse 432 erzeugt. Die Meßdauer- oder Meßperioden-Signale 31 und 30 können z. B. eine Dauer von 10 Sekunden für den AUS-Zustand und eine Dauer von 10 Sekunden für den EIN-Zustand, also eine Periode von insgesamt 20 Sekunden haben, wie aus der Zeitskala in der ersten Zeile der Fig.5 ersichtlich ist. Beim Auftreten des ersten Zehn-Sekunden-Impulses 432 beginnt das Meßzeit- oder Meßtaktsignal 30 auf der Leitung 410. Das Signal 30 dauert bis zum nächsten Zchn-Sekunden-Impuls 434, der das Flipflop 416 zurücksetzt und das andere Meßtaktsignal 31 auf der Leitung 410 erzeugt. Der nächste (dritte) Zehn-Sekunden-Impuls (nicht dargestellt) läßt diesen Zyklus erneut beginnen. Die Signale 432,434 bestimmen also einen 20 Sekunden dauernden Zyklus, in dem das Gewebe 300 während eines i0 Sekunden dauernden Teiles bestrahlt wird. Zusätzlich erfolgt jedoch eine Regelung der Gewebetemperatur durch Steuerung der Erregungszeit des Applikators in Abhängigkeit vom Signal 36.
Das Arbeiten der drei PIN-Dioden 204, 208 und 210 des Steuerteils 200 soll nun unter Bezugnahme auf F i g. 3 erläutert werden, in der der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge im Steuerteil 200 und der durchgeführten Hyperthermiebehandlung graphisch dargestei.i ist. Es sei angenommen, daß anfänglich das Meßtaktsignal 31 einen negativen Spannungswert hat, so daß die erste PIN-Diode 204 durchgeschaltet ist und die MikrowellenqueHe 100 mit dem Applikator 600 (d. h. in F i g. 2 die Leitungen 110 und 230) verbunden ist. Zur gleichen Zeit sind die zweite und die dritte PIN-Diode 208 und 210 gesperrt, so daß die Verbindung zur Leitung 240 und damit zur künstlichen Belastung 700 bzw. zur Leitung 220 und damit zur Anordnung 500 unter-

zeit (10 Sekunden) nimmt das Meßtaktsignal den positiven Spannungswert 30 an, so daß die zweite und dritte PIN-Diode 208 bzw. 210 durchgeschaltet und die erste PIN-Diode 204 gesperrt werden. Für die Dauer des Signales 30 ist das Mikrowellensignal 20 vom Applikator 600 abgeschaltet (PIN 1 »AUS«) und wird dafür der künstlichen Belastung 700 zugeführt (PIN 2 »EIN«); gleichzeitig ist PIN 3 »EIN« und verbindet den Applikator 600, der nun als Mikrowellenantenne wirkt, mit der Anordnung 500. Die Anordnung 500 mißt nun die Strahlungsenergie aus dem Volumen des bestrahlten (crwärmten) Gewebes 300.

Das Umschalten des Meßtaktsignals zwischen »>iner negativen Spannung 31 und einer positiven Spannung 30 bewirkt also, daß das Mikrowellensignal 20 für 10 Sekunden (Dauer von 31) dem Applikator 600 zugeführt wird und für die nächsten 10 Sekunden (Dauer von 30) vom Applikator 600 abgeschaltet wird, wobei dann die Anordnung 500 mit dem Applikator 600 verbunden wird, so daß die Strahlungsenergie vom erwärmten Gewebe 300 gemessen werden kann. Die Meßperiode dauert 10 Sekunden und endet wenn das Meßtaktsignal wieder den negativen Spannungswert 31 annimmt Die Mikrowellenquelle 100 wird dann erneut für 10 Sekunden mit dem Applikator 600 gekoppelt Das Signal 30 wird dann wieder positiv und der Zyklus beginnt von neuem. Wenn die Temperatur des erwärmten Gewebes in der Meßperiode, während der die Anordnung 500 die Strahlungsenergie vom Volumen des erwärmten Gewebes 300 mißt etwa 433° C ist oder wird, erzeugt die

Anordnung 500 das Signal 38, das dem Taktgeber 400 zugeführt wird und das Meßtaktsignal auf dem positiven Wert 30 hält (F i g. 3), bis die Temperatur wieder auf etwa 42,5°C abgefallen ist und das Meßtaktsignal entsprechend der Rückflanke 380 des Signals 38 wieder den negativen Wert 31 annehmen kann und die Mikrowellen 20 wieder zum Applikator 600 durchgeschaltet werden können.

Die Anordnung 500 ermöglicht die Messung eines mittleren Temperaturwertes aus der Strahlungsenergie, die von dem durch die Mikrowellen erwärmten Gewebe 30 abgestrahlt wird.

Genauer gesagt erfolgt die Bestimmung des mittleren Temperaturwertes dadurch, daß die Anordnung 500 auf einen Empfang von Strahlungsenergiesignalen von dem erwärmten Gewebe 300 abgestimmt wird, derart daß die empfangene Frequenz oder das empfangene Frequenzband mit der Frequenz bzw. dem Frequenzband des erregenden Signales 18 übereinstimmt. Da die effektive Eindringtiefe des rviikroweiiensignais, das voiii Applikator 600 in das Gewebe 300 gekoppelt wird, von der Frequenz des Signales abhängt, während die mittlere Temperatur des erwärmten Gewebevolumens von der Leistung oder Intensität des Mikrowellensignals 20 abhängt, mißt die Anordnung 500, wenn es auf die Frequenz oder das Frequenzband des erregenden Signals abgestimmt ist. diejenige Strahlungsenergie und damit die Gewebetemperatur, die im wesentlichen nur auf der Erwärmungswirkung des erregenden Signals beruhen. Bei einer solchen Abstimmung der Anordnung 500 wird abgestrahlte Energie anderer Frequenzen nicht wahrgenommen und es kann dadurch keine Beeinflussung und Beeinträchtigung der Messung der gesuchten Temperatur eintreten. Wenn man also nur die Energie und damit die Temperatur des Gewebes 300, das durch die Mikrowellen erwärmt wurde, mißt, läßt sich die Temperatur des Gewebes im Rahmen der Möglichkeiten der ll_nnn.._n11_A 4AA .

genau steuern. In der Praxis läßt die Anordnung 500 eine Temperatureichung in Schritten in der Größenordnung von 0,rC zu. Es ist, wie erwähnt, bekannt, daß ein maligner Tumor 304 durch Erwärmung auf eine Temperatur von 43,5° C ± 0,5⁰C therapeutisch behandelt und zur Remission gebracht werden kann.

Wenn die Hochfrequenz oder Mikrowellen 20 dem Applikator 600 zugeführt werden, um das Gewebevolumen 300 zu erwärmen, dringen die elektromagnetischen Schwingungen wie eingangs erwähnt in das Gewebe bis zu einer Tiefe ein, die von der Art des bestrahlten Gewebes (Fett, Muskelgewebe, Knochengewebe oder normales bzw. atrophiertes Gewebe usw.) und von der Frequenz der Schwingungen abhängt Nachdem die Bestrahlung des Gewebevolumens unterbrochen worden ist, wird die Anordnung 500 zur Messung der vom Gewebe 300 abgestrahlten Energie angeschaltet Die Frequenz der abgestrahlten Energie ist wie erwähnt vorzugsweise gleich der Frequenz der Mikrowellenquelle 100 und die auf diese Frequenz abgestimmte Anordnung 500 mißt daher im wesentlichen nur die Strahlungsenergiefrequenz des erwärmten Gewebevolumens. Diese Strahlungsenergie wird von dem Gewebevolumen 300 abgestrahlt das die eingestrahlten Mikrowellen absorbiert hat und die Temperaturmessung wird über das Volumen gemittelt Eine solche Messung der mittleren Temperatur im Gewebevolumen vermeidet offensichtlich die Schwierigkeiten bei den bisherigen Hyperthermiebehandlungen, bei denen die Temperaturmessung durch außen angelegte oder durch einen chirurgischen Eingriff applizierte Thermoelement erfolgt.

In der Praxis wird die subkutane Eindringtiefe für eine wirkungsvolle Erwärmung des Gewebes und vor allem des im Gewebe eingebetteten Tumors durch die Lage des subkutanen Gewebes und Tumors bestimmt. Die Frequenz der zur Bestrahlung verwendeten Mikrowellen bestimmt die effektive Eindringtiefe zur Erwärmung. Für die Bestrahlung können die für medizinische Zwecke vorgesehenen Frequenzen verwendet werden,

ίο man kann jedoch, soweit zulässig, auchandere Frequenzen verwenden, die mit ausreichender Energie in der Strahlung des schwarzen Körpers bei den hier interessierenden Temperaturen vorkommen. Für die Bestrahlung von relativ hautnahem Gewebe kann man z. B. mit

einer Frequenz bis zu 3 GHz und bei der Bestrahlung von tiefer liegendem Gewebe mit einer Frequenz von etwa 0,9 GHz arbeiten.

In der Praxis wird sich in der Gewebemasse oder dem Gewebevolumen, auf das die Strahlung durch den Ap-

2Ü piiKütÖT Zur LjiIiWiTiCUFig gCt/THCui Wil\i_t CiIl * CITipCr««.«**"

gradient einstellen, der im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Haut gerichtet ist. Der Gradient hängt von der Frequenz und der Intensität des zur Bestrahlung verwendeten Signales ab. In den F i g. 6A und 6B ist

beispielsweise ein Temperaturgradient erkennbar, wie er während einer Hyperthermiebehandlung auftreten kann.

Angenommen das bestrahlende Signal 20 erwärmt das Gewebe 300 und den Tumor 304 auf einer Temperaturfläche 306 (F i g. 1 und 6B) auf eine Temperatur U. Bekanntlich hängt das Frequenzspektrum entsprechend der Temperatur des Gewebevolumens nicht davon ab, wie die Energie in das System eingeführt worden ist. Man kann daher in dem den Tumor 304 enthaltenden Gewebevolumen 300 ein Temperaturprofil aufnehmen, indem man die Anordnung 500 schrittweise auf die Frequenzen oberhalb und unterhalb der Frequenz h der erregenden Mikrowellen 20 abstimmt.

üfe Anordnung 500 wird so geschaltet, daß sie die

Strahlungsenergie vom Gewebe 300 und Tumor 304 bei mehreren verschiedenen Frequenzen oberhalb und unterhalb der Frequenz /} bestimmt oder mißt. Wenn also die Anordnung auf die Frequenz f₃ abgestimmt ist, kann die mittlere Temperatur entsprechend dem betreffenden Gewebevolumen durch die Temperaturfläche 308 dargestellt werden. In entsprechender Weise wird bei /*2 wieder eine andere Temperatur k auf einer Temperaturfläche 310 festgestellt und bei einer noch höherem Frequenz f\ auf einer Temperaturfläche 312. Bei Ab-Stimmung der Anordnung auf niedrigere Frequenzen ergeben sich in entsprechender Weise Temperaturfläch^n für Temperaturen, die niedriger sind als U, z. B. eine Temperaturfläche 314 für eine Temperatur f₅, wenn die Anordnung 500 auf eine Frequenz /5 eingestellt ist, und eine Temperaturfläche 316 für eine Temperatur k, wenn die Anordnung 500 auf eine Frequenz /₆ abgestimmt ist Das Profil dieses Temperaturgradienten ist in F i g. 6A längs der die Temperaturflächen darstellenden Linien 312,310,308,314,316 dargestellt Die Temperaturen für die entsprechenden Tiefen lassen sich an der Abszisse ablesen. Typische Frequenzen sind 2450 MHz für U mit Schritten von z. B. 100 MHz für jedes Inkrement oberhalb und unterhalb von U. Typische Temperaturen sind z.B. 43,0⁰C für U mit Schritten von 0,1⁰C oberhalb und unterhalb dieser Temperatur. Bei der Anwendung der vorliegenden Einrichtung kann die Erwärmung des Tumors 304 also dadurch abgeschätzt werden, daß man feststellt, welche Teile des Tumors auf Tempa-

raturen im kritischen therapeutischen Temperaturbereich von 43,0 ± 0,5° C erwärmt werden.

Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß mit der beschriebenen Hyperthermie-Behandlungseinrichtung die Temperatur von Gewebe, in dem sich ein maligner Tumor befindet, innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches gehalten werden kann, insbesondere in einem Bereich von 43,0 ± 0,5° C, der nach neuesten Erkenntnissen eingehalten werden soll, um die Remission eines _r malignen Tumors zu bewirken. Die vorliegende Einrichtung kann jedoch auch für eine Hyperthermiebehandlung verwendet werden, die anderen Zwecken dient, z. B. für eine therapeutische Erwärmung von Organen des Körpers, wie des Herzens, der Leber, der Nieren, der Hypophyse usw.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Mikrowellen-Hyperthermiebehandlung von lebendem Gewebe, mit einer Mikrowelienquelle, die Mikrowellen einar vorgegebenen Frequenz bzw. in einem vorgegebenen Frequenzband erzeugt, einer Anordnung zur Übertragung der Mikrowellen auf das zu bestrahlende lebende Gewebe, und einer Temperaturmeßvorrichtung zum Feststellen der Temperatur des bestrahlten Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßvorrichtung eine Anordnung (500) zum Empfang von Strahlungsenergie bei oder in der Nähe der Frequenz bzw. im Frequenzband der Mikro- is wellenquelle (tOO) enthält

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (500) der Temperaturmeßvorrichtung ein auf dem Prinzip eines Teilstrahlungspyrometers arbeitendes Strahlungsmeßgerät ist, das auf <ile Frequenz der von der Mikrowellenqueüe (100) erzeugten Mikrowellen (IS) abgestimmt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (500) ein Signal (38) erzeugt, das eine bestimmte Temperatur entsprechend der vom Gewebe (300) abgestrahlten Wärmeenergie angibt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (500) ein auf dem Prinzip eines Teilstrahlungspyrometers arbeitendes Strahlungsme^gerät ist, das auf eine Frequenz abstimmbar ist, die sich von der Frequenz der von der Mikrowellenquelle (100) erzeugten Mikrowellen (18) derart unterscheidet, daß ein Temperaturgradient im Gewebe (300) bestimmbar ist.