DE3150513A1

DE3150513A1 - "vorrichtung zur lokalen hyperthermiebehandlung"

Info

Publication number: DE3150513A1
Application number: DE19813150513
Authority: DE
Inventors: Karl 6382 Friedrichsdorf Flögel; Rudolf 6277 Camberg Großbach; Ernst-Günter Dipl.-Phys. Dr. 6131 Schwalbach Lierke; Helmut 6233 Kelkheim Sudhof
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1981-12-21
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1983-06-30
Also published as: DE3150513C2

Description

Vorrichtung zur lokalen Hyperthermiebehandlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Hyperthermiebehandlung mit einem piezoelektrischen Ultraschall-Wandlersystem.
Es ist bekannt, daß cancerogenes Gewebe durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 40 und 45 0C geschädigt wird Insbesondere können dabei Tumoren in Kombination mit Röntgenstrahlung oder Cytostatika mit kleinerer Dosis im Wachstum begrenzt bzw.
zurückgebildet werden. Durch lokale Überhitzung läßt sich ein Tumor unter Schonung des gesamten Umfeldes besser, d.h. für den Patienten weniger belastend, therapieren.
Neben Ganzkörper-Hyperthermie durch Warmwasser- oder Wachsbäder sowie Heißluft und Kurzwelleneinstrahlung sind Behandlungsmethoden mittels Perfusion, d.h. Aufheizung der Blutversorgung eines Körperteils in einem Bypass, und lokale Hyperthermie mit Kurzwellen oder Mikrowellen bekannt. Der Nachteil der letzteren Methoden besteht insbesondere darin, daß die Intensität und damit die Aufheizrate durch Schwächung im vorgelagerten Gewebe im Bereich tieferliegender Tumore geringer als an der Einstrahlstelle ist. Zur Vermeidung des Temperaturgefälles muß die Einstrahlungsstelle, d.h. die Körperoberfläche, gekühlt werden. Durch fokussierte Einstrahlung von Ultraschallwellen von 0,5 bis 5 MHz lassen sich dagegen wegen der Kurzwelligkeit in tieferliegenden Gewebepartien hohe Intensitäten erreichen. Es zeigt sich jedoch, daß bei Langzeittherapien von 20 bis 40 min. pro Behandlung der Intensitätsgewinn durch Ultraschall-Fokussierung durch eine höhere Wärmeableitung im Fokusbereich zum Teil oder ganz kompensiert wird. Der zunächst relativ schnelle Temperaturanstieg im Fokusbereich verlangsamt sich also relativ zum Temperaturanstieg in der Vorlaufstrecke, bis diese schließlich trotz Fokussierung wärmer wird als der Fokusbereich.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ultraschall-Hyperthermie zu entwickeln, mit der der Temperaturanstieg im Therapiebereich höher ist und während der langen Behandlung höher bleibt als in den vorgelagerten bzw. umliegenden Bereichen.
Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art lösen läßt, bei der das Ultraschall-Wandlersystem aus mindestens drei Einzelwandlern besteht, die in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer auf einem Kreis in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Strahlungsachsen der Einzelwandler gegen die gemeinsame Achse des Ultraschall-Wandlersystems gleiche Winkel bilden und die Winkelstellung der Einzelwandler variierbar ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die Nachteile bekannter Anordnungen vermieden, indem der Effektivdurchmesser des Ultraschalls tiefenunabhängig gewählt wird und im Zielgebeit mehrere unfokussierte Strahlen unter verschiedenen Einfallswinkeln nach der sogenannten Cross-fire-TechniK zusammentreffen. Bei genügend kleinem Strahlenquerschnitt kann die absorbierte Wärmeenergie in der nicht interferierenden Vorlaufstrecke nahezu ungehindert nach allen Seiten abfließen. Die additive Überlagerung der Einzelstrahlen im Überlagerungsbereich - dessen Ausdehnung größer als beim Einzelstrahl ist -führt zur Kompensation bzw. Überkompensation der Absorptionsverluste in der Vorlaufstrecke, so daß im eigentlichen Zielgebiet auch langfristig eine höhere Temperatur erreicht werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung; Figur 2 im Längsschn#itt den Aufbau eines Einzelwandlers; Figur 3 in Aufsicht von der Abstrahlungsfläche aus die erfindungsgemäße Vorrichtung und Figur 4 Blockschaltbild des Regelsystems, mit dem die Temperatur im Therapiebereich konstant gehalten wird.
In Figur 1 ist im Längsschnitt der gesamte Ultraschall-Applikator gezeigt. Das Ultraschall-Wandlersystem wird in einer zylindrischen Kammer 1 untergebracht, die mit einer geeigneten Flüssigkeit wie Wasser oder Öl gefüllt ist. Die Flüssigkeit sollte zur Vermeidung von Kavitation entgast sein. Das Ultraschall-Wandlersystem besteht aus mehreren piezoelektrischen Einzelwandlern 2, die im Kreis und gleichem Abstand voneinander in der Kammer 1 angeordnet sind. Nach der dargestellten Ausführungsform werden sechs Einzelwandler 2 vorgesehen, die jeweils einen effektiven Durchmesser von ca. 15 mm und eine Frequenz von 1 bis 2 #1Hz besitzen können. Die Strahlungsachsen der einzelnen Wandler 2 bilden gegen die gemeinsame Achse 3 des Ultraschall-Wandlersystems bzw. der Vorrichtung jeweils den gleichen Winkel. Die Winkelstellung der Wandler kann jedoch variiert werden, um eine gezielte Therapie sowohl bei oberflächennahen als auch bei tieferliegenden Tumoren zu ermöglichen. Damit die Winkelstellung der Einzelwandler 2 geändert werden kann, werden sie nach einer bevorzugten Ausführungsform an der Peripherie bei 4 gelenkig gelagert. Auf der anderen Seite liegen sie auf einer Stellscheibe 5, deren Lage in axialer Richtung geändert werden kann. Durch Federelemente 6 ist eine Rückstellung der Einzelwandler 2 in die Ausgangslage möglich.
Die Stellscheibe 5 ist mittels einer rohrförmigen Verbindungsstange 7, die eine Gewindeführung 8 und ein Rändelrad 9 aufweist, verbunden. Durch Einstellung des Rändelrades 9 kann die Stellscheibe 5 höher oder tiefer gestellt und somit die Winkelstellung der Einzelwandler 2 beliebig geändert werden. Die Einzelwandler 2 bestehen im allgemeinen aus einer dünnen Piezoscheibe 10, die mit einer Kapsel 11 derart verbunden und abgedichtet ist, daß zwischen der Scheibe 10 und der Kapsel 11 ein kleiner Luftraum 12 verbleibt. Diese Anordnung wird in Figur 2 verdeutlicht.
Aus Figur 3 geht hervor, wie die Einzelwandler 2 in der Kammer 1 gelenkig bei 4 gelagert werden können.
Vorzugsweise werden die seitlichen Wände der Kammer 1 gekühlt.
Dies kann z.B. erfolgen, wenn die Kammer 1 doppelwandig ausgeführt wird, so daß eine Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum 13 ein- bzw. abgeleitet werden kann.
Die Kammer 1 kann rotierbar sein. Zu diesem Zweck wird ein Motor 14 mit Zahnrad 15 in einer getrennten, nicht mit Flüssigkeit gefüllten Vorkammer angebracht. In dieser Vorkammer befinden sich ferner die elektrische Versorgung 1 bzw. bei Rotation des Wandlcrsystems die elektrischen Schleifkontakte.
Zur Temperaturkontrolle im therapeutischen Zielgebiet sollte ein Thermoelement, d.h. eine dünne Muskelsonde in das Gewebe eingeführt werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß durch die hohle Verbindungsstange 7 hindurcn ein weiteres Rohr 17 zentral bis zur Abstrahlungsfläche der Kammer 1 durchgeführt wird. Dieses Rohr sollte sterilisierbar sein, z.B.
durch Einspritzen von Sterilisationsflüssigkeiten oder -gasen.
Eine solche Anordnung ermöglicht die zentrale Einführung der Muskelsonde bis zum Tumor 18.
Die Abstrahlungsfläche der Kammer 1 wird erfindungsgemäß mit einer schalldurchlässigen Folie 19 abgeschlossen, die ca. 50 bis 100 /um dick ist und z.B. aus Polyvinylchbrid besteht.
Die Folie ist im Zentralbereich, dort wo das Einfuhrrohr 17 für die Muskelsonde endet, mit der Öffnung des Rohres 17 wasserdicht verbunden. Die mit Flüssigkeit gefüllte und durch die Folie 19 abgeschlossene Kammer 1 weist eine gewisse Flexibilitat auf, um sich an etwaige Unebenheiten der Körperfläcne anzupassen. Die gesamte Vorrichtung ist dadurch auch so gekapselt, daß sie durch Gase oder Flüssigkeiten insgesamt sterilisiert werden kann.
Das mit der durch das zentrale Rohr 17 in den Tumor einführbaren Muskelsonde verbundene Regelsystem dient erfindungsgemäß im wesentlichen dazu, die Temperatur im ZieigeDiet ungeachtet der durch Konduktion und Konvektion im Körper entstehenden Wärmeableitung konstant zu halten. Das Blockschaltbild des Regelsystems wird in Figur 4 dargestellt. folie geringe Thermospannung des Thermoelements 20 wird mit einem chopperstabilisierten Meßverstärker 21 so weit verstärkt, daß 100 mV = 1 0C entsprechen. Diese Spannung wird von einer digitalen Anzeige 22 als Temperatur in OC angezeigt und kann an einer Ausgangsbuchse 23 zum Anschluß eines Schreibers entnommen werden.
Über 10-Gang Potentiometer 24 kann eine Solltemperatur vorgegeben werden. Ist- und Solltemperatur werden in einer Differenzverstärkerstufe 25 verglichen und verstärkt. Das Differenzsignal gelangt über eine PDI-Reglerstufe 26 und eine Begrenzerstufe 27 zu einem steuerbaren Netzteil 28. Dieses Netzteil 28 ist aus Verlustleistungsgrunden als Schaltnetzteil ausgeführt und steuert einen z.B. 1,7 MHz-Leistungs-Oszillator 29 an, der mit den Einzelwandlern verbunden ist.
Die- Begrenzerstufe 27 dient zur Einstellung der maximalen Ansteuerspannung 30 für den Leistungs-Oszillator 29. Der PDI-Regler 26 hat die Aufgabe, die Temperatur an der Meßstelle auf der Solltemperatur zu halten. Dabei darf die Temperatur nicht mehr als 1/10 bis 2/10 Or überschwingen. Da die Spannung des Leistungs-Oszillators 29 an einem Schreiberausgang 31 herausgeführt ist, kann die Leistungsaufnahme des Tumors innerhalb der gesamten Therapiezeit mit einem Schreiber registriert und damit überwacht werden. Digital angezeigt werden die Soll-Temperatur, die Ist-Temperatur, die Ist-Spannung und die Maximalspannung am Oszillator. Für kleinere Leistungen reicht eine interne Spannung von 30 V aus, die durch Stromversorgung bei 32 bereitgestellt wird. Werden größere Leistungen gebraucht, so kann eine externe Spannungsquelle von bis zu 60 V angeschlossen werden.
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Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur lokalen Hyperthermiebehandlung mit einem piezoelektrischen Ultraschall-Wandlersystem, dadurch gekennzeichnet, daß das #Ultraschall-Wandlersystem aus mindestens drei Einzelwandlern (2) besteht, die in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer (1) auf einem Kreis in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Strahlungsachsen der Einzelwandler (2) gegen die gemeinsame Achse (3) des Ultraschall-Wandlersystems gleiche Winkel bilden und daß die Winkelstellung der Einzelwandler (2) variierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Einzelwandler (2) mit einem Durchmesser von ca. 15 mm und einer Frequenz von ca. 1 bis 2 W«z vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwandler (2) an der Peripherie einerseits an der seitlichen Berandung der Kammer (1) gelenkig gelagert (4) und andererseits durch Federn (6) positioniert sind und mit einer Stellscheibe (5) in Verbindung stehen, deren Lage axial veränderbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Anderung der Lage der Stellscheibe (5) mittels eines Rändelrades (9) und einer gewinde geführten Verbindungsstange (7) erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (7) hohl ist und daß zur Führung eines Thermoelements ein sterilisierbares Rohr (17) durch die Verbindungsstange (7) hindurchgeführt und mit der Abstrahlungsfläche der Kammer (1) verbunden ist, wobei die Abstrahlungsfläche in diesem Bereich das Ende des Rohres (17) offen läßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (20) mit einem Regelsystem (21-32) verbunden ist, mit dem die im Therapiebereich erzielte Temperatur ungeachtet der Wärmeleitungswerte im Körper konstant gehalten wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer t1) an der Abstrahlungsfläche mit einer schalldurchlässigen Folie (19) abgeschlossen ist
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) rotierbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die seitlichen Wände der Kammer (1) ein Kühlfluid t13) zuführbar ist.