DE3431314A1

DE3431314A1 - Anordnung zur durchfuehrung der medizinischen hyperthermie

Info

Publication number: DE3431314A1
Application number: DE19843431314
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 8000 München Olbrich; Peter Prof.Dr. Russer
Original assignee: OMECON ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: OMECON ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1984-08-25
Filing date: 1984-08-25
Publication date: 1986-03-06

Description

Anordnung zur Durchführung der medizinischen Hyperthermie-Behandlung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur medizinischen Anwendung der Hyperthermie, wobei die Erwärmung von Körperpartien durch hochfrequente elektromagnetische Wellen erfolgt, welche dem Körper über einen oder mehrere Applikatoren zugeführt werden. Dabei werden Teilwellen gleicher — Frequenz in der Phase und in der Amplitude in der Weise ge-■ ' regelt, daß bestimmte Körperpartien in definierter Weise

erwärmt werden. Die Phasen- und Amplitudenregelung der von :. . dem bzw. den Applikator(en) abgegebenen Signale erfolgt über einen oder mehrere Regelkreise, wobei die Temperatur und/ oder die elektrische Feldenergie im Körperinneren als Regelgrößen verwendet werden.

In der Krebstherapie gewinnt die Hyperthermie zunehmend an Bedeutung. Bei der Hyperthermie erfolgt eine Erwärmung des gesamten Körpers (Ganzkörper-Hyperthermie) oder erkrankter *■" Körperpartien (Teilkörper-Hyperthermie) auf Temperaturen oberhalb 40° Celsius, wodurch das Wachstum von Tumorze Ilen gehemmt wird, die gesunden Zellen jedoch keine 'schädigenden Einflüsse erfahren. In der Teilkörper-Hyperthermie wird vorteilhaft die Erwärmung durch hochfrequente elektromagnetische Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich erzielt. Eine Darstellung der Anwendung von Mikrowellen in der Hyperthermie findet sich zum Beispiel in der Druckschrift: "Physikalische Blätter", Band 39, Jahrgang 1983, Nr. 10, S. 337-342, "Mikrowellen in der Medizin" von R. Knöchel, K.M. Lüdeke und W. Meyer. .. _₂_

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Da die Ganzkörper-Hyperthermie für den Patienten eine starke Belastung darstellt, ist es vorteilhaft, die Erwärmung möglichst auf die erkrankten Körperpartien zu begrenzen. Es ist. des weiteren erforderlich, im erwärmten"Bereich eine vorgegebene Temperatur möglichst genau einzuhalten, da eine zu geringe oder zu starke Temperaturerhöhung schädliche Auswirkungen auf den Patienten hat. Aus diesem Grunde ist speziell bei der Teilkörper-Hyperthermie eine genaue Messung der Temperatur der erwärmten Körperpartien erforderlich. Diese Messung erfolgt in bekannter Weise durch in den Körper eingeführte oder implantierte Temperatursonden, wobei die Meßgröße über Leitungen nach außen geleitet wird oder drahtlos nach außen übertragen wird. Eingeführte Sonden werden im allgemeinen nach jeder Behandlung entfernt. Implantierte Sonden verbleiben über längere Zeiträume im Körper. Bei implantierten Sonden ist eine Kabelzuführung in das Körperinnere dann nicht erforderlich, wenn eine drahtlose Übertragung der Meßgröße nach außen erfolgt und die Sonde entweder drahtlos mit Energie versorgt wird oder eine eingebaute Energieversorgung enthält oder keine Energieversorgung benötigt. Eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen zur Temperatur- und Feldmessung im Körperinneren sind bereits bekannt. Ein Verfahren zur drahtlosen Temperaturmessung wird in der bereits erwähnten Druckschrift von R. Knöchel und Mitautoren beschrieben. Eine Sonde zur elektrischen Feldmessung im Körperinneren wird in der Druckschrift "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Band MTT-31 , Nr. 9, S., 745-751 ,"An Implantable

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Electric-Field Probe of Submillimeter Dimensions" von T.E. Batchman und G. Gimpelson beschrieben.

Die Zuführung der elektromagnetischen Wellen erfolgt in bekannter Weise durch sogenannte Applikatoren, welche außerhalb des Körpers angeordnet werden oder im Körper implantiert werden. Die Implantation der Applikatoren ermöglicht die Erwärmung räumlich eng begrenzter Körperpartien im Körperinne- ~~ ren, macht jedoch einen chirurgischen Eingriff erforderlich.

Bei der Anwendung äußerer Applikatoren ist eine räumliche Begrenzung der Erwärmungszonen in der Regel nur möglich, wenn hohe Frequenzen im Bereich von einigen 100 MHz bis zu einigen GHz verwendet werden. Da in diesem Frequenzbereich die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in menschliche bzw. tierische Gewebesubstanzen auf wenige Zentimeter begrenzt ist, erfolgt hier in erster Linie eine Erwärmung an der Körperoberfläche. Eine maximale Erwärmung in den gewünschten

V " Körperregionen bei Begrenzung der Belastung an der Körperober- \J ' fläche läßt sich in bekannter Weise dadurch erreichen, daß auf der Körperoberfläche räumlich getrennt mehrere Applikatoren angebracht werden, wobei die einzelnen Applikatoren die Körperoberfläche schwächer belasten, die Wirkungen der einzelnen Applikatoren sich jedoch im Körperinneren in der zu behandelnden Region konstruktiv überlagern. Dabei ist es vorteilhaft, sämtliche Applikatoren mit Signalen gleicher Frequenz und definierter Phasenbeziehung anzusteuern, da sich in diesem Fall die Amplituden addieren, während bei Applika-

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toren, die von wechselseitig nicht korrelierten Signalen angespeist werden, sich nur die Leistungen addieren. Die Erzielung einer räumlichen Konzentration von elektromagnetischer Feldenergie durch Oberlagerung der von Teilstrahlern abgegebenen elektromagnetischen Wellen ist an sich bekannt und wird zum Beispiel bei den Phased-Array-Antennen angewendet. Bei der Anwendung mehrerer kohärent angespeister Applikatoren in der Hyperthermie ergeben sich jedoch dadurch Schwierigkeiten, daß die Körperpartien, welche von den Teilwellen der einzelnen Applikatoren durchdrungen werden müssen, eine inhomogene und im jeweiligen Anwendungsfall nicht genau bekannte Zusammensetzung haben. Insbesondere unterscheiden sich die Körperteilregionen erheblich im Bezug auf die Dielektrizitätskonstante und den dielektrischen Verlustwinkel. Dämpfung und Phasenverschiebung der Teilwellen sind zwischen Körperoberfläche und Zielregion nicht bekannt.

Erfindungsgemäß wird daher eine Anordnung vorgeschlagen, bei dem mehrere von einer gemeinsamen Hochfrequenzquelle versorgte Applikatoren, welche in Phase und Amplitude individuell regelbar sind, so gesteuert werden, daß die Amplituden der von den einzelnen Applikatoren ausgesandten Teilwellen sich in der zu behandelnden Körperregion konstruktiv überlagern, wobei die Regelsignale für Amplitude und Phase der einzelnen Applikatoren durch Messung der Temperatur und der elektrischen Feldenergie an einer oder mehreren Stellen im Körperinneren gewonnen werden. Die Anordnung ist dadurch gekenn-

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zeichnet, daß Amplituden und Phasen der einzelnen Applikatoren mit orthogonalen Hilfssignalen moduliert werden und durch Korrelation der an einem oder mehreren Punkten gemessenen elektrischen-Feldenergie mit den orthogonalen Hilfssignalen Regelgrößen für die einzelnen Amplituden- und Phasenmodulatoren gewonnen werden, welche die Amplituden- und Phasenmodulatoren in der Weise regeln, daß die elektrische Feldenergie an einem Meßpunkt einen maximalen Wert annimmt bzw. bei mehreren Meßpunkten in einem definierten Verhältnis zueinander steht und insgesamt einen maximalen Wert annimmt. Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung· »>

Am Körper 1 sind die Applikatoren 2 angebracht, welche von einer Hochfrequenzquelle 3 über die Amplitudenstellglieder 4 und die Phasenstellglieder 5 versorgt werden. Die Feldenergie W und die Temperatur T werden in der inneren Körperregion 6 von einer in den Körper implantierten Meßsonde 7 gemessen. Die von der Meßsonde erfaßten Meßwerte werden über eine Leitung oder drahtlos an die Regelschaltung 8 weitergegeben. Die Regelschaltung 8 steuert die Amplitudenstellglieder und die Phasenstellglieder. Die Steuersignale s η...s der Phasenmodulatoren 5 steuern die Phasen φ^.,.φ der elektromagnetischen Wellen bzw. Teilwellen 1...n, welche von den entsprechenden Applikatoren 2 ausgesandt werden. Die Steuersignale s - . . . s' steuern die Am- plituden a.....a der entsprechenden Applikatoren 2. Die Steuersignale s . und s . mit i = 1...n setzen sich wie folgt zu-ρ χ ax

s amme η:

-6-EPO CorV ύύ

Λ'

^spi ^{= s}pio ^{+ s}pih ^Cla)

ai ~ ^saio aih ' ·

wobei s . und s . langsam veränderliche Steuersignale großer Amplitude und s ., , s ., die Hilfsmodulationssignale sind. Der Begriff langsam veränderlich ist so zu verstehen, daß das Frequenzspektrum der Signale s , s eine obere Grenzfrequenz aufweist, welche unterhalb des von den Hilfs-■modulationssignalen s ., , s ., eingenommenen Frequenzbandes liegt. Die von der Meßsonde 7 erfaßten Meßsignale s „ und s _T werden der Regelschaltung 8 zugeführt. Das Meßsignal s _w ist proportional der elektrischen Feldenergie an einem Meßpunkt in der Körperregion 6. Das Signal s _T ist proportional der Temperatur am gleichen oder an einem benachbarten Meßpunkt. In der Regelschaltung 8 werden die Signale s _w und / oder s _T mit den Hilfsmodulationssignalen s ......s ι und / oder s .., ...s , korreliert. Die Korrelation zweier Signale erfolgt in bekannter Weise, zum Beispiel dadurch, daß das Produkt der beiden Signale gebildet wird und von dem Produkt beider Signale ein zeitlicher Mittelwert gebildet wird. Für orthogonale Hilfsmodulationssignale gilt

0 für i * j

(2a) _pi für i = j

0 für i ^ j

(2b) k . für i = i

-7-

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γ _

Λ-

^spih ^sajh

(2c)

wobei die lc . , k . bekannte, von den gewählten Signalen ab-

p X cL X

hängige Koeffizienten sind. Die zeitliche Mittelwertbildung wird durch einen Querstrich oberhalb des Ausdrucks angedeutet Für kleine Amplituden der Hilfsmodulationssignale gilt

ds

mW

^ds

+ s

aih

³P ih"

'aih

= 0

mW

(3)

mWo — -mW ^{idr S}pih⁼⁰' ^saih⁼⁰' ^d'^h· ^£ür verschwin-

^{wobei s}mWo ^{durch s}mW ^für

dende Hilfsmodulationssignale sind und ebenso

mW

ds

und

'pih'

'aih

= 0

s --U=O,s .,=0
pih ' aih

die Ableitungen

von s ,., nach s - bzw. s . für verschwindende Hilfsmodulations raW pi ai

signale sind. Aus den GIn. (2a,b,c) und C3) folgt für die Kor relation des Signals s _w mit den Hilfsmodulationssignalen

ds

= y-s^ - k /

pi mW pih pi ds

(4a)

^s _Pih⁼⁰

ds

^cai - ^smW^saih " ^kai

(4b)

^saih⁼⁰

Sind die Größen c ■ bzw. c . positiv, so bewirkt eine Vergröße-

pi ai ^r ' °

rung von s . bzw. s - eine Erhöhung der elektrischen Feldenergie am Meßpunkt in der inneren Körperregion 6. Unter Ver-

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■A -

wendung an sich bekannter Optimierungsalgorithmen werden in der Regelschaltung 8 aus den Größen c . und c . die Steuersignale s . und s - gewonnen, welche die Phasenstellglie-

pul 3.O X

der 5 und die Amplitudenstellglieder 4 so steuern, daß die Dichte der elektrischen Feldenergie in der inneren Körperregion 6, bezogen auf die gesamte von den Applikatoren eingestrahlte elektromagnetische Leistung, einen maximalen Wert annimmt. Aus dem Temperaturmeßsignal s ~ wird die Stellgröße für die eingestrahlte Gesamtleistung abgeleitet, so daß die

Temperatur in der inneren Körperregion 6 einen Sollwert erreicht und einhält. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß die Meßgröße s ~ sämtliche Amplitudenstellglieder 4 in gleicher Weise beeinflußt.

Üblicherweise erfolgen Temperaturänderungen mit einer so großen Trägheit, daß das Signal s _T den zeitlichen Änderungen der Hilfsmodulationssignale s ., und s ·, nicht folgen kann. In Fällen, wo bei Behandlung kleiner Volumina die thermische Trägheit so klein ist, daß auch das Signal s „, den Schwankungen der Hilfsmodulationssignale folgen kann, können sämtliche Stellgrößen in vorteilhafter Weise durch Korrelation von s_mT mit den Hilfsmodulationssignalen s .^, s_a^ S^e~ wonnen werden, so daß eine elektrische Feldmessung nicht erforderlich ist. Es ist vorteilhaft, das beschriebene Hyperthermiegerät modular mit verschiedenen Meßsonden und verschiedenen Applikatoren für unterschiedliche Anwendungsgebiete auszuführen, wobei die beschriebenen unterschiedlichen Betriebs-

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j NACHQEREICi-¹T'

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zustände durch Austausch und / oder Hinzufügen bzw. Weglassen einzelner Applikatoren und Meßsonden erreicht werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, das System sowohl für außen auf den Körper aufsetzbare Applikatoren als auch für implantierbare Applikatoren und die unterschiedlichen beschriebenen Meßsonden auszulegen, wodurch in der medizinischen Anwendung des Systems eine größtmögliche Flexibilität erreicht wird.

Für die Teilkörper-Hyperthermie an ausgedehnten Körperregio- -nen ist es vorteilhaft, den Einsatz mehrerer Meßsonden 7 vorzusehen und dadurch das elektrische Feld und /oder die Temperatur an mehreren Punkten der behandelten inneren Körperregion 6 zu erfassen und dadurch in bekannter Weise unter Anwendung eines entsprechenden Algorithmus in der Regelschaltung 8 die Temperatur an mehreren Punkten der inneren Körperregion 6 auf einen Sollwert hinzuregeln.

- Als orthogonale Hilfsmodulationssignale lassen sich zum Beispiel sinusförmige Signale unterschiedlicher Frequenz verwenden. Diese Signale können in bekannter Weise sehr einfach erzeugt werden.

Es ist vorteilhaft, die Regelschaltung 8 in bekannter Weise unter Zuhilfenahme eines digitalen Prozeßrechners zu realisieren. Insbesondere wird dadurch die Anpassung des Regelalgorithmus an den jeweiligen Anwendungsfall erleichtert. Im Falle der weitgehend digitalen Realisierung der Regelschaltung ist es vorteilhaft, binäre orthogonale Hilfsmodulations-

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funktionen, zum Beispiel die sogenannten Walsh-Funktionen zu verwenden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

-■η
(λj. Anordnung zur medizinischen Anwendung der Hyperthermie,

bestehend aus einem oder mehreren Applikatoren, welche Körperpartien hochfrequente elektromagnetische Energie zuführen und einer oder mehrerer in das Körperinnere

_ . einbringbare Meßsonde(n), wobei die von den Applikatoren

ausgestrahlten Teilwellen voneinander unabhängig in ihrer

mm.

Phase und/oder Amplitude gesteuert werden, wobei weiterhin die Temperatur und/oder das elektrische Feld von der/ den in das Körperinnere eingebrachten Meßsonde(n) gernessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die so erfaßten Meßgrößen über eine Regelschaltung, die Phasen und Amplituden der von dem/den ApplikatorCen) emittierten elektromagnetischen Wellen oder Teilwellen beeinflussen, wobei Phasen und/oder Amplituden der einzelnen elektromagnetiv— . sehen Wellen oder Teilwellen so gesteuert werden, daß in

dem von den Meßsonden kontrollierten Bereich im Körperinneren die Phasen der elektromagnetischen Teilwellen konstruktiv interferieren und in diesem Bereich eine maximale Erwärmung bewirken, welche auf den Sollwert geregelt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

den Steuersignalen der Amplituden- und Phasenmodulatoren

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schwache Hilfssignale überlagert werden, welche die Amplituden und Phasen der einzelnen elektromagnetischen Wellen bzw. Teilwellen modulieren, so daß einige oder alle der von den Meßsonden erfaßten Meßgrößen ebenfalls moduliert sind und die Modulation dieser Meßgrößen von der Regelschaltung zur Gewinnung individueller Steuersignale für die einzelnen Phasen- und Amplitudenstellglieder ausgenutzt wird.
3. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch · gekennzeichnet, daß es sich bei den Hilfssignalen um zueinander orthogonale Signale handelt und daß durch Korrelation des Ausgangssignals einer Meßsonde oder der Ausgangssignale mehrerer Meßsonden mit den orthogonalen Hilfssignalen in der Regelschaltung individuelle Steuersignale für die einzelnen Phasen- und Amplitudenstellglieder gewonnen werden.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den orthogonalen Hilfssignalen um sinusförmige Signale unterschiedlicher Frequenz handelt

5- Anordnung· nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den orthogonalen Hilfssignalen um zueinander orthogonale Walsh-Funktionen handelt.

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