DE4310070A1 - Hyperthermie-Applikator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hyperthermie-Applikator. Dieser strahlt in den vor ihm liegenden Raum über eine Fläche elek­ tromagnetische Wellen ab, die zum Erwärmen von Gewebe einge­ setzt werden können.

Applikatoren, die das genannte Abstrahlverhalten zeigen, sind beispielsweise dielektrisch geladene Rundhohlleiter, in denen über einen Koppelstift ein H11-Mode, das ist der Grundmode, angeregt wird. Unterhalb der kritischen Frequenz bzw. oberhalb der Grenzwellenlänge lamda c des Hohlleiters sinken alle Feld­ komponenten mit wachsendem Abstand von der Anregungsstelle aperiodisch nach der gleichen Exponentialfunktion ab. Ein Be­ trieb unterhalb dieser Frequenz ist nicht sinnvoll.

Der Durchmesser D des Hohleiters ist über die Beziehung:

lambda c = 1,71xD

direkt proportional zur Grenzwellenlänge des Hohlleiters. Bei einer Betriebsfrequenz von 1GHz ergibt sich bei einer relati­ ven Dielektrizitätskonstanten von 1 ein Durchmesser von ca. 176mm (siehe Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenz­ technik, K22-K26, 1986). Mit einer relativen Dielektrizitäts­ konstanten von zehn erreicht man eine Verkleinerung des Durch­ messers auf ca. 56mm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hyperthermie- Applikator bereitzustellen, der, um eine möglichst grobe Ein­ dringtiefe der elektromagnetischen Welle ins Gewebe zu erzie­ len, bei möglichst niederiger Betriebsfrequenz arbeitet und dessen Querabmessungen möglichst klein sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Als solche ist die spiralförmige Antenne aus der Hochfrequenz­ technik bekannt. Sie ist in ihren zwei grundsätzlichen Bauwei­ sen, der ebenen und der konischen, in Meinke-Gundlach, Ta­ schenbuch der Hochfrequenztechnik, 1986, N33-N34 kurz be­ schrieben.

Die ebene Spiralantenne hat den Vorzug, daß mit ihr eine gute Rotationssymmetrie in der Abstrahlung erreicht wird, so daß eine gleichmäßige flächige Erwärmung des vor der Antenne lie­ genden Gewebes erfolgen kann. Durch den Abschluß an der An­ tenne mit einem pi/2-Transformator, dessen offenes Ende zur Spiralantenne hinzeigt, bzw. dessen offenes Ende von der An­ tenne selbst abgeschlossen wird, wird die einseitige Abstrah­ lung erreicht.

In unmittelbarer Nähe der Antennenoberfläche treten verhält­ nismäßig starke elektromagnetische Felder auf, die eine Über­ höhung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) hervorrufen und daher dort anliegendes Gewebe zu sehr überhitzen können. Diese Übererwärmung aufgrund des Nahfeldeffekts an der unmittelbaren Antennenumgebung kann durch Spülen des pi/2-Transformators mit einem dielektrischen Kühlmittel vermieden werden, so daß sich insgesamt ein mehr moderater Temperaturverlauf von der unmit­ telbaren Antennenabstrahlfläche ins Gewebe hinein ergibt. Da­ rüber hinaus ist die Dielektrizitätskonstante des Kühlmittels für die Baugröße des Hyperthermie-Applikators mit von maßge­ bender Bedeutung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Applikators werden in den Kennzeichen der Unteransprüche 1 bis 8 beschrieben. So ist die Spiralantenne auf der zum pi/2-Transformator hingerichteten Seite der dielektrischen Scheibe montiert. Die Scheibe mit der Antenne schließt den Hohlraum des Transformators ab, ohne daß die Spiralarmenden denselben berühren. Die Arme der Spiralan­ tenne sind auf der Scheibe eng gewickelt und sind mindestens eine Wellenlänge lang, um nicht die untere Betriebsfrequenz­ grenze zu unterschreiten.

Von weiterem Vorteil ist, wenn die Spiralenden in länglichen Spitzen enden. Dadurch kann dort die Reflektion der Antennen­ ströme auf ein tolerierbares Maß heruntergesetzt werden.

Auf der der Generatorseite zugewandten metallischen Scheibe des pi/2-Transformators befinden sich Stutzen für den Ein-und Auslaß des dielektrischen Kühlmittels. Diese Scheibe ist zur Bildung des Transformators mit dessen metallischen Mantel gal­ vanisch verbunden. Desweiteren wird durch ihre Mitte das Spei­ sekabel für die Antenne geführt.

Um unkontrollierbare Ableitungen von elektrischen Strömen in das anliegende Gewebe zu vermeiden und um das Infektionsrisiko durch einen nicht sterilen Applikator möglichst klein zu hal­ ten, kann der Hyperthermie-Applikator mit einer dielektrischen Hülle überzogen werden, die sein Abstrahlverhalten nicht nen­ nenswert beeinflußt.

Die Form des Applikators ist zylinderförmig wegen des pi/2- Transformators. Der Querschnitt kann dabei kreisförmig, ellip­ tisch, rechteckig oder gar hufeisenförmig sein. Diese Form wird zweckmäßig vom Anwendungsfall her bestimmt. Ebenso kommt für die abstrahlende Fläche neben der kreisförmigen, senkrecht auf der Transformatorachse stehenden eine gewölbte Abstrahl­ fläche infrage. Allerdings wird die Neigung zur Transformator­ achse derart beschränkt bleiben müssen, daß noch eine Abstrah­ lung der Betriebsfrequenz ohne nennenswerte Einbuße bestehen bleibt und eine ausreichende und tief genug gehende Erwärmung des Gewebes erfolgen kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den Hyperthermie- Applikator in kreiszylinderischer Bauweise,

Fig. 2 die ebene, zweiarmige Spiralantenne,

Fig. 3 den generatorseitigen Deckel des pi/2- Transformators.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Symmetrieachse 2 des Hy­ perthermie-Applikators 1. An dessen fernen Ende sitzt die kreisförmige dielektrische Scheibe 3, auf deren zum Generator 4 hin gerichteten Seite die Spiralantenne 5 aufliegt. Die Spi­ ralantenne 5 ist in diesem Durchführungsbeispiel eine zweiar­ mige Antenne 5 (siehe Fig. 2) mit sehr lange spitzzulaufenden Spiralarmenden. Die Arme 11 sind dicht gewickelt und reichen bis fast an den pi/2-Transformator, auch lambda/4-Sperrtopf 6 genannt, heran, der galvanisch von diesen nicht berührt wird.

Die Scheibe 3 bildet den Deckel für den offenen pi/2-Transfor­ mator 6. Dieser ist im Durchführungsbeispiel ein kreiszylin­ derförmiger metallischer Topf (lambda/4-Sperrtopf), durch des­ sen Boden 13 in der Mitte 14, entlang der Symmetrieachse 2 die Speiseleitung 7, ein koaxiales Kabel 7, durchgeführt ist und dort den pi/-Transformator 6 galvanisch berührt. Der Innenlei­ ter 9 der Speiseleitung 7 kontaktiert im Zentrum 8 den einen Arm der Spiralantenne 5, der Außenleiter 10 den andern. Bei viel-, jedoch geradzahligarmigen Spiralantennen 5 werden die Arme 11 abwechselnd reihum von dem Innen-und Außenleiter der Speiseleitung kontaktiert. Die Länge der Spiralarme wird auch hier durch die obere Betriebswellenlänge bzw. untere Betriebs­ frequenz festgelegt. Sie muß, um eine brauchbare Leistungsab­ gabe zu gewährleisten, gleich oder größer als die Betriebswel­ lenlänge sein.

Zunächst bildet der Hyperthermie-Applikator 1 einen zylinderi­ schen Hohlraum, der über zwei Stutzen 12 im Deckel zur Genera­ torseite hin mit einem Kühlmittel durchströmt werden kann (siehe Fig. 3). Hierbei ist die Dielektrizitätskonstante des Kühlmittels von Bedeutung für die geometrischen Dimensionen des Hyperthermie-Applikators 1, sie geht mit der Quadratwurzel in diese ein. Die über den Applikator 1 gestülpte dielektri­ sche Hülle ist nicht eingezeichnet. Sie verhindert den unmit­ telbaren Kontakt des Applikators 1 mit dem anliegenden Gewebe während der Therapie und unterbindet dadurch unerwünschte Wege des elektrischen Stromes während der Bestrahlung und erleich­ tert den sterilen Einsatz des Applikators.

Die Dimensionierung des Durchführungsbeispiels wird kurz er­ läutert. Bei einer Betriebsfrequenz von 100 MHz kann der Spi­ ralantennen-Hyperthermie-Applikator mit einem Durchmesser von 50 mm gebaut werden. Dieser Applikator ist damit optimal in Verbindung mit der intraoperativen Radiotherapie (IORT) ein­ setzbar, da hier die Durchmesser der Metalltuben für die Be­ strahlung des Tumorbettes mit Elektronen 50-100 mm betragen.

Der Spiralantennen-Hyperthermieapplikator ist aber auch vor­ teilhaft bei perkutaner Anwendung einsetzbar, da hier, wie oben beschrieben, im Vergleich zum Hohlleiterapplikator eine tiefere Betriebsfrequenz und damit eine größere Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen ins Gewebe möglich ist.

Bezugszeichenliste

1 Hyperthermie-Applikator
2 Symmetrieachse
3 dielektrische Scheibe
4 Generator
5 Spiralantenne, Antenne
6 pi/2-Transformator, lamda/4-Sperrtopf
7 Kabel, Koaxkabel, Speiseleitung
8 Zentrum, Erregungszone, Speisepunkt
9 Innenleiter
10 Mantel, Außenleiter
11 Antennenarm, Arm
12 Stutzen
13 Boden
14 Mitte.

Claims (8)

1. Hyperthermie-Applikator zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen über eine Fläche, bestehend aus:
einem in der Fläche liegenden Element, das bei Erregung elektromagnetische Wellen abstrahlt,
einer an einem Genera­ tor anschließbaren Speiseleitung für die Versorgung des ab­ strahlenden Elements und
einem das ferne Ende der Speise­ leitung ummantelnden Hohlraum, wodurch bei Erregung des Elements nur Abstrahlung in den davorliegenden Raum erfolgt dadurch gekennzeichnet, daß

• - das elektromagnetische Wellen abstrahlende Element eine mindestens zweiarmige Spiralantenne ist, die auf einer dielektrischen Scheibe einseitig montiert und in deren Zentrum die koaxiale Speiseleitung an den Beginn der Spiralarme angeschlossen ist;
• - der Hohlraum ein zur Spiralantenne hin offener pi/2- Transformator ist, dessen Durchmesser größer als der der Spiralantenne ist, und der die Enden der Spiralantennen­ arme nicht galvanisch berührt;
• - der pi/2-Transformator an einen Kühlmittelkreislauf mit einem dielektrischen Kühlmittel vorgegebener Dielektri­ zitätskonstanten anschließbar ist.

2. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spiralantenne auf der zum pi/2-Transfor­ mator hin gerichteten Seite der dielektrischen Scheibe an­ gebracht ist und darauf eng und lang gewickelt ist, so daß die Mindestlänge der Spiralarme eine Betriebswellenlänge beträgt.

3. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Enden der Antennenarme durch eine zur äußeren Scheibenkontur parallel verlaufenden Linie an ihren Enden beschnitten sind und dadurch spitz enden.

4. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheibe mit dem pi/2-Transformator einen mechanisch abgeschlossenen Hohlraum bildet, auf dessen Achse die koaxiale Speiseleitung zum Antennenanschluß führt.

5. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem pi/2-Transformators Anschlußflansche zum Anschluß an den Kühlmittelkreislauf angebracht sind.

6. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hyperthermie-Applikator mit einer Hülle aus dielektrischem und gewebeverträglichem Material überzo­ gen ist.

7. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dielektrische Scheibe eine kreisrunde oder eine elliptische oder eine rechteckige oder eine huf­ eisenförmige oder allgemein eine für den Anwendungsfall zweckmäßige Form hat.

8. Hyperthermie-Applikator nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dielektrische Scheibe zur Applikatorebene so stark geneigt oder gewölbt oder beides ist, so daß die Wirkung des pi/2-Transformators dadurch bei der angewandten Betriebsfrequenz gerade noch nicht entscheidend beeinflußt wird.