DE3831016A1 - Interstitielle hyperthermie-mikrowellenapplikatoren mit optimierter verteilung des elektromagnetischen feldes - Google Patents

Description

Hyperthermie als Hirntumortherapie stellt besondere Anforderungen an das Behandlungssystem. Hoher Blutfluß, besondere Temperaturempfindlichkeit des gesunden Gehirngewebes und eingeschränkte chirurgische Möglichkeiten bei der Behandlung des Tumors bedürfen eines Hyperthermiesystems, das besonders kompakt eine ausreichend hohe Wärmeenergiedeposition in einem genau definierten Zielvolumen im Gehirn zuläßt.

1986 haben Mechling und Strohbehn in Int. J. Rad. Oncol. Biol. Phys., Vol. 12, S. 2137-2149 auf die Vorteile von Mikrowellenantennen bei der Hirntumorhyperthermie hingewiesen. Diese Applikatoren eignen sich besonders in Kombination mit der stereotaktisch geführten interstitiellen Strahlentherapie.

King, Trembly und Strohbehn beschrieben 1983 in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-31, Nr. 7, Juli 1983, S. 574-583 das elektromagnetische Feld einer solchen isolierten Antenne in einem leitenden oder dielektrischen Medium. Sie gingen dabei von einem symmetrischen, von der Mitte aus gespeisten Dipol aus. Diese symmetrische Form der Antenne wurde bisher für die Hirntumorhyperthermie nicht realisiert. Die z.Zt. eingesetzten Antennen bestehen z.B. aus einem Koaxialkabel, an dessen einem Ende der Innenleiter herausgeführt und z.B. an eine Verlängerung mit dem Durchmesser des Außenleiters gelötet wird. Koaxialkabel und Verlängerung befinden sich in einem elektrisch isolierenden Schlauch wie z.B. einem Katheter aus Teflon. Diese erstmals von Taylor in Proceedings of the IEEE, 68, 142-149, 1978 vorgeschlagene und isolierte koaxiale Mikrowellenantenne hat den Nachteil, daß ihre Energieverteilungskontur sehr stark von der Eindringtiefe der Antenne ins Gewebe abhängt. Im Falle der Hirntumorhyperthermie bedeutet dies, daß die Energieverteilungskontur der Mikrowellenantenne vom Abstand zwischen Einspeisepunkt und Hirnoberfläche abhängt. Damit kann eine Überwärmung des gesunden Hirngewebes nicht ausgeschlossen werden. Dieses Problem ist bekannt. Eine grundlegende Arbeit stammt von King, Shen und Wu "Embedded Insulated Antennas For Communication And Heating", Electromagnetic 1: 51-72, 1981. Die Autoren schlagen dort vor, zur besseren Abstrahlung ins umgebende Medium, d.h. zur Vergrößerung des Verhältnisses Alpha/Beta auf dem Außenmantel des koaxialen Speisekabels eine Verdickung, nämlich ein angelötetes Metallrohr anzubringen und um die Abschlußimpedanz der unteren Hälfte des Dipols, d.h. die Einspeiseimpedanz des gesamten Abschnittes darunter so groß wie möglich zu machen, wird eine Metallscheibe in einem Abstand h _C vom unteren Rand des Dipols angebracht, so daß Beta _{L 1} h _C gleich Π/2 wird. An den unteren Rand des Dipols wird mit Hilfe des lambda/4 = Π/2 Transformators eine sehr hohe, im Idealfall eine ∞ hohe Abschlußimpedanz transformiert. Da die obere Hälfte des Dipols ebenfalls einen ∞ hohen Abschlußwiderstand aufweist, hat man damit einen idealen Dipol mit symmetrischer Abstrahlung um die Enspeisestelle geschaffen. Aufgrund der nichtidealen Verhältnisse, d.h. aufgrund eines hohen, aber nicht ∞ hohen Abschlußwiderstandes am unteren Rand des Dipols können immer noch Ströme in Richtung Generator rückwärts laufen. Weitere zentrierte Metallscheiben in Abständen von Π/2 können zur Minimierung der Ströme auf dem Außenmantel des Koaxialkabels angebracht werden. An jeder dieser Metallscheiben, die ja als Kurzschluß für die zum Generator rücklaufende HF-Welle wirken, entsteht von der Antenne aus gesehen ein Strommaximum. Entlang jedes Π/2 Transformators strehlt diese Anordnung noch - wenn auch wesentlich durch das kleinere α/β Verhältnis reduziert - radial ins umgebende Medium Energie ab. Bedenkt man, daß aufgrund der sehr kleinen Durchmesser des gesamten Dipols, daß Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Zuführungskabels und dem der zentrierten Metallscheiben nicht besonders klein und damit das α/β Verhältnis ebenfalls nicht besonders klein wie gewünscht gewählt werden kann, so wird im Bereich des Π/2 oder lambda/4 Transformators doch noch erheblich Energie ins umgebende Medium abgestrahlt. Andere Antennenkonstruktionen, wie z.B. mit sich vom Einspeisepunkt stufenweise erweiternde Antennenhälften (Turner, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-34, Nr. 5, Mai 1986, S. 572-578) oder mono- und bikonische Antennen (Roos und Hugander, Int. J. Hyperthermia, Vol. 4, 1988, Nr. 6, S. 609-615) konnten den o.g. Effekt reduzieren, aber nicht beseitigen. Das gilt auch für die von Lin und Wang in Int. J. Hyperthermia, Vol. 3, Nr. 1, S. 37-47, 1986 vorgestellte Koaxialschlitzantenne bzw. der "Multiple nodes" - Applikator von Lee, O′Neill, Lam, K.-S., Rostock und Lam, W.-C. in Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., Vol. 12, S. 2003-2008, 1986.

Es besteht demnach ein Bedürfnis, diesen Nachteil bei Antennen- bzw. Mikrowellenapplikatoren zu beseitigen.

Dies wird ermöglicht durch eine besondere Ausgestaltung der o.g. konventionellen Antenne. Durch Anbringen eines lambda/4 - Sperrtopfes, der einen definierten Abschlußwiderstand nach hinten darstellt, auf dem Außenmantel des koaxialen Speisekabels wird dieser Nachteil wesentlich reduziert. Der lambda/4 - Sperrtopf erzeugt eine hohe Impedanz für elektromagnetische Wellen. Wird diese hohe Impedanz auf dem Außenmantel des Zuführungskabels an einer Stelle erzeugt, die, bezogen auf die Einspeisestelle in axialer Richtung des Kabels symmetrisch zur Spitze der Verlängerung des Innenleiters liegt, so funktioniert diese Konstruktion als symmetrische von der Mitte aus gespeiste Dipolantenne. Die komplexen Abschlußimpedanzen sind im Gegensatz zur o.g. konventionellen Antenne festgelegt und sind im Idealfall, d.h. bei optimaler Wirkungsweise des Sperrtopfes, unendlich hoch.

Am oberen wie am unteren Ende des von der Mitte aus gespeisten Dipols (z=h bzw. Z=-h) wird der Strom I(z) = -i _* VO _* sin kl (h-/z/)/2 _* c _* cos kl _* h=0. Auch diese Konstruktion ist grundsätzlich bekannt. (King - Seite 58 - The Insulated Sleeve Dipole.) Allerdings erfordert der lambda/4 Sperrtopf, wenn er mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist, eine im Verhältnis zur gesamten Antennenlänge große Länge in axialer Richtung. Die Antennenlänge wird im vorliegenden Fall wesentlich durch das dissipative umgebende Medium mitbestimmt, das z.B. bei einer Dielektrizitätskonstanten von ca. 50 bis 915 MHz für Hirngewebe eine wesentliche Verkürzung der Antenne bringt. Außerdem muß ein genügend großes Verhältnis zwischen dem äußeren Topfdurchmesser und dem Außenleiter des Zuführungskabels gewählt werden.

Eine asymmetrische Dipolanordnung mit lambda/4 - Sperrtopf ist ebenfalls realisierbar.

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Konstruktion besteht insbesondere darin, daß der lambda/4 - Sperrtopf mit einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstanten und kleinem Verlustfaktor tanδ geladen wird, so daß eine kleine kompakte Antenne realisiert werden kann, die in der Hirntumortherapie einsetzbar ist. Bei vorgegebener Gesamtlänge und konstanten Parametern von isolierendem Dielektrikum und umgebendem dissipativen Medium ist der komplexe Widerstand dieser Antenne konstant. Im Gegensatz zu den herkömmlichen o.g. Antennen ist die Verteilung des elektromagnetischen Feldes dieser Antenne unter der Bedingung, daß der gesamte Dipol vom gleichen, dissipativen Medium (hier biologisches Gewebe) umgeben ist und Interferenzen an Grenzschichten vernachlässigt werden können, weitgehend unabhängig von deren Eindringtiefe ins Gewebe, d.h. vom Abstand zwischen Gewebeoberfläche und Einspeisestelle. Ein Rücklaufen von Energie über den Außenmantel des Zuführungskabels zum Generator und damit ein eventuelles Aufheizen von gesundem Gewebe wie oben beschrieben findet hier bei optimaler Funktionsweise des Sperrtopfes, d.h. bei einer durch ihn erzeugten unendlich hohen komplexen Impedanz nicht statt.

Fig. 1 stellt eine Schemazeichnung des Dipolapplikators dar. Die HF-Speiseleitung für den Dipolapplikator tritt von rechts bzw. unten in ein zur Eintrittsseite offenes Metallrohr ein, das mit einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt ist. Dieses Metallrohr geht in den Metallzylinder 1 über, der fast bis zur Mitte des Dipols reicht. Räumlich vom Metallzylinder 1 getrennt, jedoch sehr nahe bei ihm angeordnet, liegt dann der Metallzylinder 2. Beide Metallzylinder sowie der Metallkragen bilden die Heizzone.

Gemäß einer weiteren Ausbildungsform betrifft die Erfindung einen Monopolapplikator.

Betreibt man nur eine Hälfte des genannten Dipols, so stellt sich ebenfalls das Problem des definierten Abschlußwiderstands. In der Praxis wird dieser Abschlußwiderstand durch eine elektrisch gut leitende Fläche am Einspeisepunkt der Antenne realisiert. Er stellt für die elektromagnetische Welle einen Kurzschluß dar. Die kreisförmige Fläche wird senkrecht zur Achse der Antenne angeordnet und galvanisch mit dem Außenleiter des Zuführungskabels verbunden. Um eine besonders wirkungsvolle Anordnung zu erhalten, sollte der Radius der kreisförmigen Fläche einige Wellenlängen der Betriebsfrequenz betragen. Für die Hirntumorhyperthermie ist eine solche Anordnung aus Platzgründen nicht sinnvoll. Eine Alternative stellt der lambda/2 Transformator dar, der einen Kurzschluß an die Stelle der leitenden Fläche transformiert. Ein definierter Antennenwiderstand und damit definierte Abstrahlungsverhältnisse lassen sich mit erheblich kleineren Applikatordurchmessern realisieren. Wie im Falle des Dipol-Applikators wird mit dieser Konstruktion ein Rücklaufen von Energie über den Außenmantel des Zuführungskabels zum Generator und damit ein eventuelles Aufheizen von gesundem Gewebe weitgehend vermieden.

Fig. 2 zeigt diesen Monopolapplikator. Hier ist statt des Metallzylinders 1 nur der Metallkragen vorhanden, der mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Das Koaxialkabel ist mit dem HF-Generator verbunden. Darauf folgt dann der Teilzylinder 2, der zusammen mit dem Spalt zwischen seinem unteren Ende und dem oberen Ende des Metallkragens die Heizzone bildet. Der Metallkragen hat hier die Länge lambda/2, während er beim Dipolapplikator die Länge lambda/4 hat. Beim Monopol-Applikator ist die Verwendung eines Dielektrikums mit hoher Dielektrizitätskonstante nicht notwendig. Der Metallkragen ist zwar 2× lambda/4 lang. Die mechanische Länge hängt aber von der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums ab. Der Metallkragen ist also nur dann mechanisch doppelt so lang, wenn - und das ist nicht notwendig - das gleiche Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstanten verwandt wird wie im Falle des Dipolapplikators. Es gilt das Gesetz für die Verkürzung der elektrischen Länge im optisch dichteren Medium nach 1/NE.) Es ist ersichtlich, daß beim Monopolapplikator die Heizzone durch praktisch die Hälfte der des Dipolapplikators bei sonst gleichen Abmessungen (mit Ausnahme des bis doppelt so langen Metallkragens) verkürzt ist.

Fig. 3 zeigt in den dargestellten Kurven den Feldstärkeverlauf eines herkömmlichen Applikators und den des erfindungsgemäßen Monopolapplikators. |Ez|² = Betragsquadrat der z-Komponente des elektrischen Feldes. z-Achse = Antennenachse.

Während der herkömmliche Applikator entlang seiner Versorgungsleitung in Richtung Generator noch relativ stark ins umgebende Medium abstrahlt, konzentriert sich die Energieabgabe des erfindungsgemäßen Applikators mehr auf das Gebiet um die Einspeisestelle bis zur Spitze. Ebenso konnte beim herkömmlichen Applikator eine starke Abhängigkeit der Impedanz und damit der aufgenommenen Leistung vom Abstand zwischen Einspeisepunkt und Oberfläche des Mediums in axialer Richtung der Antenne, d.h. der Eindringtiefe beobachtet werden. Der erfindungsgemäße Applikator zeigte dieses Verhalten wesentlich reduziert. Das Anbringen weiterer lambda/2 Kurzschlußtransformationen koaxial zum bestehenden lambda/2 Transformator kann die Eigenschaften des Applikators weiter verbessern. Ebenfalls verbessert das Anbringen eines oder mehrerer lambda/4 Sperrtöpfe um den oder die lambda/2-Transformatoren die Eigenschaften des Applikators.

Die Feldstärkemessungen wurden mit einer Zero-Bias-Schottky Diode von Alpha-Industries durchgeführt. Die Spannungsmessung erfolgte mit einem Digital-Mulitmeter von Keithley. Als dissipatives Medium wurde ein Phantommaterial aus Polyethylenpulver, Geliermittel, Wasser und Salz eingesetzt, dessen komplexe Permittivität der von Gehirngewebe entspricht. Die genaue Zusammensetzung wurde von C.K. Chou in einem Vortrag: "Phantoms for Electromagnetic Heating Studies" auf der Tagung "Physics and Technology of Hyperthermia" in Urbino, Italien, 26. Juli bis 9. August 1986, beschrieben.

Die geringen möglichen Abmessungen des Gerätes und die exakte Konzentration der Energieabgabe gestatten die Anwendung nicht nur der Hirntumortherapie, sondern auch eine interstitielle lokale Hyperthermie an anderen Stellen des Körpers. Strahlenbiologische und auch klinische Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß die lokale Hyperthermie in Verbindung mit einer unmittelbar anschließenden Strahlentherapie eine verstärkte Wirkung auf das Tumorgewebe hat. Somit ist das Gerät nicht nur auf die stereotaktisch geführte Hirntumorhyperthermie beschränkt, sondern kann z.B. auch bei Prostatacarcinom, Cervical- und Vaginal-Carcinom angewandt werden.

Claims (7)

1. Interstitieller Hyperthermie-Mikrowellenapplikator mit definierter, begrenzter Verteilung des elektromagnetischen Feldes in Form einer Dipol-Antenne, die auf dem Außenmantel des koaxialen Speisekabels eine Umhüllung zur Veränderung der Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung in Form eines lambda/4 - Sperrtopfes ausgebildet ist, der eine hohe Impedanz auf dem Außenmantel des Zuführungskabels an einer Stelle erzeugt, die, bezogen auf die Einspeisestelle in axialer Richtung des Kabels symmetrisch zur Spitze der Verlängerung des Innenleiters liegt, wobei der lambda/4- Sperrtopf mit einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante und kleinem Verlustfaktor tan δ geladen ist.

2. Abänderung des Applikators nach Anspruch 1 zu einem Monopolapplikator, dadurch gekennzeichnet, daß er einen lambda/2 Transformator aufweist, der einen Kurzschluß unmittelbar über der Einspeisestelle auf dem Außenmantel des Zuführungskabels transformiert.

3. Applikator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Metallzylinders 1 nur der Metallkragen vorhanden ist, der mit einem Dielektrikum gefüllt ist.

4. Applikator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Dielektrikum gefüllte Metallkragen die Länge lambda/2 hat.

5. Applikator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er weitere lambda/2 - Kurzschlußtransformationen koaxial zum bestehenden lambda/2 - Transformator aufweist.

6. Applikator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere lambda/4 - Sperrtöpfe um den oder die lambda/2 - Transformatoren aufweist.

7. Applikator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lambda/2 - oder lambda-/4 - Transformatoren Röhrchen aus Material mit hohem DK und kleinem Verlustfaktor, insbesondere Al₂O₃-Röhrchen sind.