DE3831016C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen interstitiellen Hyperthermie- Mikrowellenapplikator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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. Von dieser gattungsbildenden Schrift geht der Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Die Autoren geben Auslegungskriterien an, wie sie bei Antennen im Gebiet hoher Frequenzen zur Anwendung kommen, wobei das Anwendungsgebiet u. a. auch die Wärmebehandlung von Tumoren umfaßt. Hierbei werden auch Monopol-Antennen betrachtet und deren optimale Auslegung im Hinblick auf die abgestrahlte Leistung wird untersucht. Der Monopol wird gebildet, indem sich der Innenleiter eines speisenden Koaxialkabels um eine bestimmte Länge gegenüber dem Außenleiter weitererstreckt. Der sich erstreckende Teil kann dabei den gleichen oder auch einen größeren Durchmesser haben als der Außenleiter. Um die Leitung abzuschließen, kann eine mit dem Außenleiter kurzgeschlossene Metallscheibe in einem gewissen Abstand h_b vom Beginn der Erstreckung angebracht werden, so daß β_L2 h_b = π wird. Um die Wirksamkeit dieser Metallscheibe beim Unterdrücken zu erhöhen, kann eine Reihe von solchen Metallscheiben in einem Abstand von π/2 vorgesehen werden. Um jedoch die Abstrahlung von der Koaxialleitung ins umgebende Medium möglichst klein zu machen, muß das Verhältnis von Durchmesser Metallscheibe zu Durchmesser Koaxialleitung sehr groß sein. Da jedoch bei der Mikrowellenbehandlung am lebenden Objekt die Abmessungen möglichst klein zu halten sind, wird mit dieser Anordnung noch erheblich Energie ins umgebende Medium abgestrahlt.

Andere Antennenkonstruktionen, wie z. B. mit sich vom Einspeisepunkt stufenweise erweiternden 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.

Aus der US-PS 47 00 716 ist ein interstitieller Hyperthermie- Mikrowellenapplikator bekannt, an dessen proximalem Ende ein Transformator zur Impedanzanpassung angeordnet ist. Dabei ist der Transformator in Form eines einseitig offenen Metallzylinders, der mit einem Dielektrikum gefüllt ist, ausgebildet.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, den gattungsgemäßen Mikrowellenapplikator derart weiterzubilden, daß sich bei den Vorgaben bezüglich der Baugröße eine möglichst hohe Energiekonzentration auf ein definiertes Zielvolumen realisieren läßt.

Dieses Problem wird durch einen interstitiellen Hyperthermie-Mikrowellenapplikator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem Lambda/2-Transformator lassen sich ein definierter Antennenwiderstand und damit definierte Abstrahlungs­ verhältnisse mit erheblich kleineren Applikatordurchmessern realisieren. Mit dieser Konstruktion wird ein Rücklaufen von Energie über den Außenmantel des Zuführungskabels (Koaxialkabel) zum Generator und damit ein eventuelles Aufheizen von gesundem Gewebe weitgehend vermieden.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Monopol-Applikator.

Das Koaxialkabel als Hochfrequenz-Speiseleitung vom Generator tritt durch eine Öffnung in ein eintrittsseitig an sich geschlossenes und austrittsseitig offenes Metallrohr ein, das im folgenden mit Metallkragen bezeichnet wird. Der Metallkragen ist mit einem Dielektrikum gefüllt. Am austrittsseitigen Ende des Metallkragens endet auch der Außenleiter des Koaxialkabels. Nur der Innenleiter erstreckt sich in einen Metallzylinder 2, der zusammen mit dem Spalt zwischen seinem unteren Ende und dem oberen Ende des Metallkragens die Heizzone bildet.

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.

Es ist ersichtlich, daß beim Monopolapplikator die Heizzone gegenüber einem Dipolapplikator bei sonst gleichen Abmessungen verkürzt ist.

Fig. 2 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 erfindunsgemäßen 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-Multimeter 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 bei 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 (5)

1. Interstitieller Hyperthermie-Mikrowellenapplikator mit definierter, begrenzter Verteilung des elektromagnetischen Feldes, in Form einer Monopol-Antenne, die auf dem Außenmantel des koaxialen Speisekabels eine Verdickung zur Veränderung ihrer Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verdickung als Lambda/2-Transformator wirkt, der einen Kurzschluß beim Außenmantel unmittelbar vor der Verdickung auf einen Kurzschluß über der Einspeisestelle unmittelbar am Fußpunkt der Monopol-Antenne transformiert.

2. Applikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambda/2-Transformator in Form eines einseitig offenen Metallzylinders ausgebildet ist, der mit einem Dielektrikum gefüllt ist.

3. Applikator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Lambda/2-Kurzschlußtransformatoren koaxial zu dem Lambda/2-Transformator vorgesehen sind.

4. Applikator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Lambda/4-Sperrtöpfe um den oder die Lambda/2-Transformatoren vorgesehen sind.

5. Applikator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lambda/2-Transformatoren oder die Lambda/4-Sperrtöpfe Röhrchen aus Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und kleinem Verlustfaktor, insbesondere Al₂O₃-Röhrchen sind.