DE60024968T2

DE60024968T2 - Mikrowellensysteme zur medizinischen hyperthermie, thermotherapie und diagnose

Info

Publication number: DE60024968T2
Application number: DE60024968T
Authority: DE
Inventors: S. Raymond KASEVICH
Original assignee: KAI Technologies Inc
Current assignee: KAI Technologies Inc
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: EP1152792A1; PT1152792E; DK1152792T3; EP1152792B1; ATE313354T1; AU2874200A; ES2255981T3; WO2000047281A1; US6181970B1; DE60024968D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrowellenvorrichtungen zur Verwendung in der medizinischen Hyperthermie und Thermotherapie (zusammenfassend als „Wärmetherapien" bezeichnet) und in der Diagnostik, sowie Verfahren zum Verwenden derartiger Vorrichtungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und soweit aus der EP 0 783 903 bekannt.
Punktuelle Wärmetherapien, d.h. Hyperthermie (Erwärmung auf Temperaturen unterhalb 45°C) und Thermotherapie (Erwärmung auf Temperaturen über 45°C) sind in den vergangen zwei Jahrzehnten mit Blick auf viele Krankheitsprozesse, einschließlich benigner Prostatahyperplasie (BPH) und Neoplasmen, intensiv untersucht worden.
Verfahren zum Zuführen von Wärme, einschließlich Verfahrensweisen mit warmem Fluid, fokussiertem Ultraschall, Hochfrequenz und Mikrowellen, wurden bei abnormem Gewebe jedoch nur mit begrenztem Erfolg angewendet. Die Prostata ist ein Organ, das als Kandidat für die Anwendung von Wärmezufuhrtechniken untersucht wurde. Da Mikrowellenenergie ohne Inzision angewendet werden kann, ist dies eine gewürdigte Vorgehensweise. Ferner kann diese Technik in vorteilhafter Weise ambulant vorgenommen werden.
Damit Wärmetherapie sicher angewendet werden kann, ist es sehr wichtig, dass die angewendete Wärme allein auf den Wirkungsbereich beschränkt wird (z.B. ein BPH-Tumor), um eine Schädigung von umliegendem gesunden Gewebe oder Organen zu vermeiden.
Einige Vorrichtungen zur Wärmetherapie haben von der Mikrowellenerwärmung Gebrauch gemacht, z.B. diejenigen, die in den U.S.-Patenten Nr. 4,700,716 und 4,776,086 offenbart sind. Mikrowellenenergie erhöht die Temperatur durch Erhöhung der Molekularbewegung innerhalb der Zellstrukturen. Mit der Frequenzverringerung steigt die Gewebe-Eindringtiefe. Mikrowellenantennensonden mit kleinem Durchmesser sind durch normale Körperpassagen in den Körper oder, wenn nötig, direkt in das erkrankte Gewebe unter Verwendung eines hohlen Plastikkatheters eingeführt worden.
Im U.S.-Patent 4,204,549 ist eine Vorrichtung zur Hyperthermiebehandlung offenbart, mit der eine Übertragung von Mikrowellenenergie zur Strahlentherapie von Gewebe bereitgestellt wird. Die Mikrowellenenergie wird der Behandlungsstelle mittels eines Koaxialapplikators zugeführt, der einen hohlen Mittelleiter und eine darauf koaxial angebrachte Außenabschirmung aufweist.
In der EP 0 462 302 wird ein durch die Harnröhre eingesetzter Applikator für die Prostatahyperthermie mit individuell steuerbaren Strahlungsantennen gelehrt.
In der EP 0 485 323 wird eine Hyperthermievorrichtung gelehrt, mit Temperaturdetektoren zum Abtasten der Temperatur in der Nähe des Strahlungselementes sowie zum Bereitstellen von Signalen für die Temperatursteuerung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft medizinische Instrumente, wie in Anspruch 1 definiert, die von Mikrowellenenergie Gebrauch machen, um Wärmebehandlung sowie eine diagnostische Bildgebung des Gewebes bereitzustellen. Der hierin verwendete Ausdruck „Mikrowelle" bezieht sich auf elektromagnetische Energie im Mikrowellenfrequenzspektrum von 300 MHz bis 300 GHz.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein medizinisches Behandlungssystem zum Behandeln von Gewebe eine Antenne mit einem Strahlungselement auf, welches zum Übertragen elektromagnetischer Energie zu einem er wünschten Bereich des Gewebes ausgebildet ist und ein Innenvolumen zum Aufnehmen eines Wärmeaustauschfluids aufweist, und dadurch die Temperatur proximal zum erwünschten Bereich des Gewebes ändert.
Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile. Ein diese Anordnung aufweisendes Strahlungselement ist multifunktional. Das Strahlungselement wird insbesondere zur Übertragung von Energie zu dem Gewebe verwendet, um dieses zu erwärmen oder um ein Bild des Gewebes zu erhalten. Zusätzlich dient das Strahlungselement als ein „Wärmerohr", das in dem erwünschten Bereich als Quelle oder Senke für Wärmeenergie wirkt und die Steuerung der Temperatur des mittels der Antenne bestrahlten Gewebevolumens verbessert. Somit ist eine sicherere und wirksamere Zufuhr der Mikrowellenenergie gegeben. Es ist wichtig zu erkennen, dass, obwohl das Strahlungselement als „Wärmerohr" wirkt, es im Betrieb sowohl eine Erwärmung als auch eine Abkühlung bereitstellen kann, je nachdem, ob das Fluid (z.B. eine Flüssigkeit oder Gas) heiß oder kalt ist.
Gemäß einem zugehörigen Aspekt der Erfindung umfasst ein medizinisches Wärmebehandlungssystem ein erstes medizinisches Instrument mit einem Antennensystem, das ein Strahlungselement mit der im zuvor erläuterten Aspekt beschriebenen Anordnung aufweist, und ein zweites medizinisches Instrument mit einem zweiten Antennensystem zum Empfangen der ausgestrahlten elektromagnetischen Energie von dem ersten medizinischen Instrument.
Das medizinische Behandlungssystem beinhaltet eine Übertragungsleitung, welche am Strahlungselement zum Übertragen der elektromagnetischen Energie von einer elektromagnetischen Energiequelle zur Strahlungsquelle angeschlossen ist. Eine Leitung bzw. Rohrleitung erstreckt sich zum Befördern des Wärmeaustauschfluids (z.B. ein Kühlmittel) von einem Wärmetauscher (z.B. einem Kompresor) zu dem Strahlungselement durch die Übertragungsleitung.
Ausführungsformen dieser erfindungsgemäßen Aspekte können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. In bestimmten Ausführungsformen ist das Innenvolumen des Strahlungselementes und die Leitung größenmäßig so zu geschnitten, dass eine Kapillarwirkung des Fluids, welches durch diese fließt, verursacht wird.
In einer Ausführungsform ist die Übertragungsleitung eine Koaxialübertragungsleitung, die einen hohlen Mittelleiter und eine äußere Abschirmung beinhaltet, welch in bezug auf den Mittelleiter koaxial angeordnet ist. Die Koaxialübertragungsleitung beinhaltet einen Transformator, der als ein Impedanzanpassungsnetz zum Maximieren der Leistungsübertragung zwischen der elektromagnetischen Energiequelle und der Antenne dient. Der Transformator ist um eine viertel Wellenlänge bei einer vorbestimmten Betriebsfrequenz vom Strahlungselement beabstandet und umfasst eine Metallhülse, welche die äußere Abschirmung der Koaxialübertragungsleitung umgibt. Die Antenne kann eine große Vielfalt von Ausbildungen aufweisen, einschließlich Dipolanordnungen. Das medizinische Behandlungssystem beinhaltet ferner einen Katheter mit einem Innenlumen, das sich zwischen einem proximalen Ende und einem distalen Ende erstreckt und größenmäßig ausgelegt ist, um die Antenne aufzunehmen.
Das medizinische Behandlungssystem weist eine Vielzahl von Antennen auf, welche jeweils ein Strahlungselement zum Übertragen einer elektromagnetischen Energie zum erwünschten Bereich aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen sind die Antennen als Einebenen-Yagiantenne ausgebildet. In diesem Fall ist jede der Antennen derart konfiguriert, dass sie eine elektromagnetische Energie mit einem ausgewählten Amplituden- und Phasengang ausstrahlen, so dass die übertragenen Energie im Ganzen zum erwünschten Bereich des Gewebes geleitet wird. Ein oder mehrere Temperaturdetektoren sind zum Abtasten der Temperatur an einer Stelle in der Nähe des Strahlungselementes vorgesehen. In Abhängigkeit der abgetasteten Temperatur versorgen die Detektoren den Wärmetauscher mit Signalen zur Steuerung der Menge des Fluids, welche dem Innenvolumen des Strahlungselementes zugeführt wird. Jeder der Temperaturdetektoren ist vorzugsweise derart angeordnet, dass er einem unterschiedlichen Bereich des Strahlungselementes zugeordnet ist.
Die von der Quelle bereitgestellte elektromagnetische Energie weist eine Frequenz in einem Bereich zwischen 0,3 und 10 GHz und einen Leistungspegel in einem Bereich zwischen ca. 100 mWatt und 150 Watt auf.
Eerner ist ein Verfahren zur Behandlung von Gewebe mit dem oben beschriebenen medizinischen Behandlungssystem offenbart, welches die folgenden Schritte beinhaltet. Das erste medizinische Instrument wird in einer ersten Körperpassage positioniert. Das zweite medizinische Instrument wird in einer zweiten Körperpassage positioniert. Daraufhin wird elektromagnetische Energie an dem ersten medizinischen Instrument angelegt, um einen erwünschten Bereich des Gewebes zu erwärmen, wobei das zweite medizinische Instrument die von dem ersten medizinischen Instrument übertragene elektromagnetische Energie aufnimmt und durch das Gewebe führt. Bereiche in der Nähe des Gewebes werden mit dem ersten medizinischen Instrument gekühlt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den Zeichnungen, der folgenden ausführlichen Beschreibung sowie den Ansprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Seitenansicht einer Mikrowellenantennenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die in einem Ballonkatheter Verwendung findet. Übertragungsleitungen sind als Phantomlinien dargestellt.
2 ist eine schematische Seitenansicht der in der Vorrichtung nach 1 verwendeten Antennen. 2A ist eine schematische Seitenansicht der Antennen nach 2, in der das während der Verwendung erhaltene Strahlungsmuster gezeigt ist.
3 ist ein Schaltbild, in dem die in einer Mikrowellenquelle verwendete Elektronik gezeigt ist, die für die Verwendung in der Vorrichtung nach 1 geeignet ist.
4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Antennenanordnung, die zur Verwendung in der Vorrichtung nach 1 geeignet ist, in welcher eine der Antennen auch als Wärmerohr dient.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Antenne.
6 ist eine Seitenansicht im Querschnitt der in 5 gezeigten Antenne.
7 ist eine Querschnittsansicht des proximalen Endes der Antenne entlang der Linien 7-7 nach 6.
8 ist eine Seitenansicht des magnetischen Dipols der in 5 gezeigten Antenne.
9A und 9B stellen alternative Ausführungsformen von Erregerdipolen dar, die zur Verwendung bei der in 5 gezeigten Antenne geeignet sind.
10A ist eine Querschnittsansicht, teilweise in schematischer Form, eines Messmikrowellenantennensystems.
10B ist eine Querschnittsansicht, teilweise in schematischer Form, des distalen Endes des Messmikrowellenantennensystems nach 10A.
10C ist eine schematische Seitenansichtsdarstellung des distalen Endes des Messmikrowellenantennensystems nach 10A.
11 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer alternativen Ausführungsform eines medizinischen Mikrowellensystems zur Gewebebehandlung und -diagnose.
12 ist eine Querschnittsansicht des Prostataballonbereiches des in 11 gezeigten Systems im unaufgeblasenen Zustand.
13 ist eine Querschnittsansicht des Prostataballonbereiches des in 11 gezeigten Systems im aufgeblasenen Zustand.
14 ist eine Querschnittsansicht des Blasenballonbereiches des in 11 gezeigten Systems in aufgeblasenem Zustand.
15 ist eine stark schematische Ansicht der männlichen Harnorgane, die die Verwendung von zwei Mikrowellenantennenvorrichtungen gemäß der Erfindung für die Bildgebung und/oder Erwärmung der Prostata darstellt.
16A und 16B sind jeweils Querschnitts- und Seitenansichten, die die Verwendung von zwei Mikrowellenantennenvorrichtungen für die Bildgebung und/oder Erwärmung der Prostata darstellt.
Ausführliche Beschreibung
Das Mikrowellenantennensystem 10 nach 1 umfasst eine Einebenen-Yagiantenne 12, die in einem Katheter 14 angewendet wird. Die Anordnung 12 ist so ausgebildet, dass sie die Richtung und das Niveau der elektromagnetischen Energie, die von der Anordnung ausgestrahlt wird, präziser fokussiert, wodurch eine gut steuerbare Erwärmung des Zielbereiches gegeben ist. Der Katheter 14 umfasst einen Ballonbereich 16, der am Ende eines Rohrs 18 angebracht ist, der ein Innenlumen 20 definiert, und zum Einführen in einen Körperbereich, normalerweise durch eine Körperöffnung oder -passage ausgebildet ist. Die Antennenanordnung 12 umfasst drei Antennen 22, 24, 26, die ausführlicher in 2 dargestellt und im folgenden beschrieben sind.
Die Antennen 22, 24, 26 sind über Koaxialübertragungsleitungen 28, 30, 32 jeweils mit einem Energieversorgungssystem S1 verbunden, welches Mikrowellenenergie erzeugt. Ein bevorzugtes Mikrowellensystem S1 ist in der 3 gezeigt und im folgenden beschrieben. Elektrische Signale, die die von den Sensoren 29, 31, 33 und 35 gemessene Temperatur darstellen, werden von einer Temperatur steuereinheit 52 empfangen und verarbeitet, die ein Steuersignal an das Mikrowellenleistungssystem S1 erzeugt. In Abhängigkeit dieses Steuersignals erhöht oder verringert das Mikrowellenleistungssystem die jeder Antenne 22, 24, 26 oder der Anordnung 12 zugeführte Leistung. Wie unten mit Bezug auf die 4 beschrieben, ist in bestimmten Ausführungsformen ein Wärmerohr S3 mit den Antennen 22, 24, 26 verbunden, um die genaue Temperatur an der Schnittstelle zwischen der Vorrichtung und dem Gewebe weiter zu steuern. Ein Computer 5 ist über einen Bus 7 mit dem Mikrowellenleistungssystem S1, der Temperatursteuereinheit S2 und dem Wärmerohrsystem S3 verbunden. Im Computer 5 ist ein Computerprogramm gespeichert, das in Abhängigkeit der die Leistung und die Temperatur repräsentierenden Signale die Leistung S1, die Temperatursteuerung S2 und das Wärmerohrsystem S3 steuert.
Wie in den 2 und 2A gezeigt, umfasst die Antennenanordnung 12 zusätzlich zu den Antennen 22, 24, 26 einen RF-Reflektor 34 sowie drei RF-Direktoren 36, 38, 40. Der RF-Reflektor 34 und der RF-Direktor 40 sind am Ende dielektrischer Elemente 42, 44 (dielektrische Drähte oder Rohre) vorgesehen, während die anderen RF-Direktoren sich von Elementen erstrecken, die auf derselben Koaxialleitung an distalen Enden der Antennen 24 und 26 angebracht sind. Der RF-Reflektor und die -Direktoren sind durch Bildung eines Metallüberzuges auf dem dielektrischen Draht bzw. Rohr aufgebaut. Die Reflektoren und Direktoren dienen der weiteren Verbesserung der Richtwirkung und des Gewinns der Antennen 22, 24, 26. Der Reflektor 34 ist beispielsweise hinter der Antenne 22 positioniert, während der Direktor 36 sich vor der Antenne befindet, um eine Dreielemente-Yagiantennenzeile zu bilden. Die Längen der Reflektoren 34 entsprechen im allgemeinen der Länge der Antennen, während die Länge des Direktors 36 im allgemeinen kürzer ist (z.B. 75% der Antennenlänge).
Temperatursensoren sind an verschiedenen Punkten innerhalb der Antennenanordnung 12 vorgesehen. Insbesondere ist der Sensor 29 am distalen Ende angebracht, der Sensor 31 am proximalen Ende, der Sensor 33 in der Mitte und der Sensor 35 entlang einer Wandung der Antennenanordnung, um an der rektalen Wand gegenüber den Urethralsensoren 29, 31, 33 positioniert zu werden, und 35 kann in der Form von faseroptischen Sensoren vorliegen, die von einer äußeren dielektrischen Hülle umgeben sind. Ein Beispiel für einen faseroptischen Sensor dieser Art ist in der US 4,700,716 beschrieben.
Die Antennenanordnung 12 sowie die in der 2 gezeigten RF-Reflektoren und -Direktoren werden durch Vergießen der Anordnung in ein festes Material in einem Rohr in Position fixiert, z.B. durch Platzieren der Anordnung in einem Rohr und Füllen des Rohrs mit einem flüssigen, härtbaren TEFLON^®-Polymer. Das die Anordnung enthaltende Rohr kann dann zur Verwendung durch einen Arzt problemlos in den Katheter 14 eingesetzt werden.
Wie in 2A dargestellt, stellt jede der Antennen 22, 24, 26 individuelle Strahlungselemente dar, die in geeigneter Weise mit Bezug aufeinander entlang einer Längsachse 43 des Katheters 14 beabstandet sind, um die kollineare Anordnung zu bilden. In bevorzugten Ausführungsformen ist jede Antenne von einer angrenzenden Antenne um eine viertel Wellenlänge (λ/4) beabstandet, etwa 1,115 cm bei 915 MHz (in Gewebe mit einem hohen Wassergehalt). Obwohl andere Antennenausbildungen verwendet werden könnten, sind die Antennen 22, 24, 26 gemäß dieser Ausführungsform Dipolantennen. Die relative Amplitude und Phase von elektrischen Signalen, die jeder Antenne von dem Mikrowellensystem S1 bereitgestellt werden, werden gesteuert, um ein resultierendes Strahlungsmuster zu erhalten, welches das Produkt der Überlagerung der Strahlungsmuster von jeder Antenne ist. Jede Antenne wird im Wesentlichen selbständig gesteuert, so dass sich deren jeweilige elektrische Felder innerhalb des Zielbereiches konstruktiv addieren bzw. außerhalb desselben sich destruktiv subtrahieren. Dadurch, dass die relative Amplitude und Phase elektronisch vom Mikrowellensystem S1 gesteuert wird, wird die lineare Antennenanordnung 12 als eine elektronisch abgetastete Anordnung bezeichnet. Mittels dieser Vorgehensweise sorgt ein Strahlungsmuster mit einer gewünschten schmalen Strahlbreite und -richtung für eine relativ hohe Temperatur und fokussierte Erwärmung zum Zielbereich.
Durch Variieren der relativen Amplitude und Phase der elektrischen Signale, die jeder Antenne 22, 24, 26 bereitgestellt werden, kann ferner ein Strahlungsmuster über einen relativ breiten Bereich erzeugt werden. Wie beispielsweise in der 2A dargestellt, ist das Strahlungsmuster 41 als zwischen den Positionen 41a, 41b und 41c schwenkend gezeigt.
Um die durch die Einebenen-Yagiantenne erreichte Verbesserung zu veranschaulichen, wurden Berechnungen bei 915 MHz mit den Antennen 22, 26 durchgeführt, die im Gegensatz zur Antenne 24 phasengleich waren. Die Leistungshalbwertsbreite (half power beam width – HPBW) wurde mit 20° bemessen, im Gegensatz zu 45° bei einem einzelnen Dipol Ein weiterer während dieser Messungen beobachtete Vorteil war, dass Nebenkeulen des resultierenden Strahlungsmusters in verlustbehaftetem Medium (z.B. in Gewebe mit hohem Wassergehalt) gegenüber dem bei einem einzigen Dipol beobachteten erheblich unterdrückt wurden. Diese erheblich schmalere Strahlbreite ermöglicht dem Benutzer eine größere Flexibilität bei der Lenkung des Strahls, wodurch die Erwärmung des Materials gesteuert wird.
Wie in 3 dargestellt, umfasst ein bevorzugtes Mikrowellenleistungssystem S1 vier Ausgangsanschlüsse 80, 82, 84, 86, die mit einer Vierkanal-Mikrowellenleistungsquelle 88 gekoppelt sind, welche in der Lage ist, ca. 12 Watt Dauerstrichleistung bei 915 MHz an einzelne der Antennen 28, 30, 32 der Antennenanordnung 12 bereitzustellen. Es gilt zu beachten, dass in dieser Ausführungsform, da die Anordnung 12 nur drei Antennen umfasst, ein Extraanschluss für den Fall zur Verfügung steht, dass einer der Anschlüsse fehlerhaft ist. Jeder Anschluss ist über individuelle bidirektionale Koppler 90 mit einem entsprechenden Ausgang der Quelle 88 gekoppelt. Ein Bruchteil (z.B. 20dB) der Mikrowellenleistungsquelle 80 wird von den Kopplern 90 abgegriffen und einem Vektormesser 92 über eine Reihe von Drehschaltern 94, 96, 98 zugeführt. Ein Schaltregler 100 wird für die Auswahl einer der Anschlüsse 80, 82, 84, 86 verwendet, die zu jeder gegebenen Zeit geprüft werden. Ein 30 Db Dämpfungsglied ist an den Ausgang des Drehschalters 98 angeschlossen, um den Vektormesser 92 vor übermäßigen Leistungspegeln zu schützen. Wie oben ausgeführt, wird der Computer 5 zur Steuerung der Komponenten des Systems S1 über den Bus 7 verwendet, das die Leistungsquelle 80, den Vektormesser 92 sowie den Schaltregler 100 umfasst.
Obgleich es zum Erhalt von super-gerichteten Strahlungsmustern nicht notwendig ist, kann in bestimmten Ausführungsformen jede Antenne 22, 24, 26 der Anordnung 12 auch als ein „Wärmerohr" dienen. Das Wärmerohr dient als eine Quelle oder Senke für Wärmeenergie in einem erwünschten Bereich, so dass eine noch bessere Temperatursteuerung an der Schnittstelle des Wärmerohrs und angrenzenden Materials erreicht wird. Es ist wichtig zu erkennen, dass, obwohl die Vorrichtung als ein „Wärmerohr" bezeichnet wird, diese im Betrieb sowohl für eine Erwärmung als auch eine Abkühlung sorgen kann, je nachdem, ob das Fluid (z.B. eine Flüssigkeit oder Gas) warm oder kalt ist.
Mit Bezugnahme auf die 4 wird, zum Zwecke der Veranschaulichung, die Antenne 22 der Anordnung 12 mit dem Aufbau gezeigt, der für eine Temperatursteuerung des Wärmerohrs sorgt. Das Wärmerohr 50 umfasst einen Antennenbereich/Abkühlregion 52, eine Wärmetauscher 56 sowie eine flexible RF-Koaxialübertragungsleitung 58, die den Antennenbereich 52 mit der Mikrowellenleistungsquelle S1 verbindet. Der Antennenbereich 52 ist durch ein hohles leitfähiges Rohr 60 und eine dielektrische Hülle 70 gebildet, die sich im Wesentlichen entlang der Gesamtlänge des leitfähigen Rohrs erstreckt. Wie oben in Verbindung mit den 1, 2, 2A beschrieben, bildet das leitfähige Rohr 60 einen Teil der Koaxialübertragungsleitung 28 zum Übertragen von Energie von der Quelle S1 zum Antennenbereich/Abkühlregion 52. Bei Verwendung als Wärmerohr wirkt das leitfähige Rohr auch als ein Kapillardocht für durch dieses hindurchlaufende Flüssigkeit oder Gas 62. Die Kapillarwirkung wird dadurch erreicht, dass am Antennenbereich ein Bereich 66 mit einem relativ großen Durchmesser vorgesehen ist, um eine Evaporationskühlung bereitzustellen, sowie ein „Docht"-Bereich 67 mit einem relativ kleineren Durchmesser, der zwischen dem Bereich 66 und dem Wärmetauscher 56 verläuft. Der Bereich 66 mit dem größeren Durchmesser weist eine Länge von ca. λ/2 auf. An einem Übergang 71 erstreckt sich der Dochtbereich 67 über die Übertragungsleitung 58 zum Wärmetauscher 56 in Form eines dielektrischen Stabes 69 hinaus.
Bei Verwendung in Anwendungen, die eine Abkühlung erfordern, wirkt der Wärmetauscher 56 als ein Kondensator mit einem Kühlmittel (z.B. eine Kryoflüssigkeit). Ein Druckmechanismus 57 unter der Steuerung des Computers 5 wird zum Steuern der Menge und Geschwindigkeit verwendet, mit der das Fluid dem Abkühlbereich 52 zugeführt wird. Wie oben erläutert, steuert der Computer 5 in Abhängigkeit elektrischer Signale von der Temperatursteuereinheit S2 das Mikrowellensystem S1, um elektrische Signale mit dem geeigneten Amplituden- und Phasengang zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls in die Richtung des Wirkbereiches zu erzeugen. Bei Ausführungsformen mit einem Wärmerohr 50 steuert der Computer 5 auch den Wärmetauscher S3, um zur Beseitigung von Wärme Kühlflüssigkeit innerhalb des Antennenbereiches/der Abkühlregion 52 zu fördern, wodurch eine rasche und präzise Temperatureinstellung an der Schnittstelle zwischen der Abkühlregion und dem umgebenden Material ermöglicht wird.
Durch die Ausführung einer oder mehrerer der Antennen 22, 24, 26 als Wärmerohr können die relativ hohen und fokussierten Erwärmungscharakteristika, die von jeder Antenne der Anordnung 12 bereitgestellt werden, mit noch größerer Präzision gesteuert werden, indem das Kühlmittel bzw. die Wärme dem Wirkbereich rasch und zuverlässig zugeführt wird, wodurch die Temperatur im Wirkbereich jeweils verringert oder erhöht wird. Weitere Details mit Blick auf den thermodynamischen Betrieb von Wärmerohren, die für die Verwendung in der Antennenanordnung 12 geeignet sind, sind in der U.S. 5,591,162 mit dem Titel „Treatment Method Using a Micro Heat Pipe Catheter" beschrieben.
In bestimmten Anwendungen kann die Antennenanordnung 12 Transformatoren 46, 48 umfassen, die zwischen den Antennen 22, 24 und dem Mikrowellenleistungssystem S1 angeordnet sind. Diese Transformatoren sorgen für eine gute Impedanzanpassung gegenüber dem Leistungssystem S1 innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches. Die Transformatoren 46, 48 sind von den jeweiligen Antennen 22, 24 um eine viertel Wellenlänge beabstandet. Der Transformator 54 besteht aus der Kombination aus dem leitfähigen Rohr 60, einer äußeren leitfähigen Koaxialabschirmung 64, der dielektrischen Hülle 70 und einem Metallzylinder 74. Die äußere leitfähige Koaxialabschirmung 64 umgibt die dielektrische Hülle 70 und erstreckt sich entlang der Länge des leitfähigen Rohrs 60, bis sie an einem Punkt direkt vor dem Bereich 66 mit dem großen Durchmesser endet. Die Länge des Metallzylinders 73 beträgt etwa eine viertel Wellenlänge und bedeckt die äußere leitfähige Koaxialabschirmung 64, wodurch die beiden Teile am Punkt A elektrisch kurzgeschlossen werden. Dieser elektrische Kurzschluss stellt einen wirksamen offenen Stromkreis (hohe Impedanz) entlang der Übertragungsleitung eine viertel Wellenlänge von dem Kurzschluss weg dar.
Der Transformator 54 minimiert die von der Mikrowellenleistungsquelle S1 gesehene reflektierte Leistung. Gleichermaßen wichtig ist es, dass der Transformator 54 auch das Lecken von Antennenstrom entlang der Außenstruktur der Anordnung 12 verhindert. Durch geeignete Auswahl der Betriebsparameter kann der Transformator 54 so konzipiert werden, dass er sowohl einen minimalen Reflexionskoeffizienten als auch ein minimales Lecken innerhalb desselben Frequenzbereiches bereitstellt.
Die Verwendung der Transformatoren 46, 48 ist nicht auf eine Antennenanordnung mit Wärmerohr beschränkt. Vielmehr werden sämtliche Vorteile einhergehend mit der Verwendung derartiger Transformatoren, wie oben beschrieben, erreicht, wenn das Antennensystem 10 nach 1 kein Wärmerohrsystem S3 enthält.
Zur Verwendung des Mikrowellenantennensystems 10 würde ein Arzt den Katheter 14 in eine erwünschte Region des Körpers des Patienten durch eine Körperpassage, etwa die Harnröhre, einführen. Der Arzt würde dann die Mikrowellenenergiequelle S1 aktivieren, um einer Zielregion, die an die Körperpassage angrenzt, Energie zuzuführen. Während des Erwärmens überwacht der Computer 5 die von der Temperatursteuereinheit S2 gesammelten Informationen und stellt die Energiemenge, die mittels der Mikrowellenleistungsquelle S1 zugeführt wird, entsprechend ein. In Ausführungsformen, die ein Wärmerohr beinhalten, steuert der Computer 5 auch die Zufuhr des Fluids zur Operationsstelle, z.B. durch Bereitstellen ge eigneter Steuersignale an den Druckmechanismus 57. Die Menge der zugeführten Wärme wird an die Wärmeleitfähigkeit des Gewebes und den Grad der Durchströmung des Gewebes angepasst.
Mit Bezugnahme auf die 5 wird eine weitere Ausführungsform einer Antenne 200 gezeigt, die zur Verwendung in der Antennenanordnung 12 geeignet ist. Es ist wichtig zu beachten, dass, obwohl nur eine Antenne gezeigt ist, eine Vielzahl von Antennen durch einen Katheter verlaufen können. Die Antenne 200 umfasst ein Paar von Strahlungselementen, von denen eines als ein bewegbarer Erregerdipol 202 dient, und der andere als ein magnetisches Dipolelement 204. Die Konfiguration erlaubt es dem Chirurg, die Position des Erregerdipols 202 relativ zum magnetischen Dipolelement 204 einzustellen, so dass beide Elemente zusammen mit einer nahezu perfekten Impedanzanpassung abstrahlen, wodurch die Effizienz des Leistungstransfers auf das umgebende Gewebe maximiert wird. Wie im Fall der in den 1–4 gezeigten Ausführungsform ist die Antenne 200 allein oder mit gleichen Antennen in einem Katheter 205 mit einem aufblasbaren Ballonbereich 203 angeordnet.
Mit Bezugnahme auf die 6 und 7 umfasst der Erregerdipol 202 eine Mikro-Koaxialübertragungsleitung 206, welche sich vom proximalen Ende 208, das an einen entsprechenden Anschluss der Leistungsquelle S1 angeschlossen ist, zu einem mittelpunktgespeisten Dipolelement 207 erstreckt. Der mittelpunktgespeiste Dipol 207 ist durch einen Spalt 209 definiert, welcher durch das Entfernen eines Abschnitts des äußeren Leiters 210 in einem Abstand von einem viertel Wellenlänge (bei der gewünschten Betriebsfrequenz) von einem distalen Ende 211 der Antenne 200 gebildet ist.
Die Übertragungsleitung 206 umfasst einen Mittelleiter 208, der von einem Außenleiter 210 durch ein Dielektrikum 212 beabstandet ist, um eine Übertragungsleitung mit einem Wellenwiderstand von 50Ω bereitzustellen. Der Erregerdipol 202 umfasst ebenfalls einen gegabelten Impedanztransformator 214, der durch eine leitfähige Abschirmung 216 definiert ist, die sich entlang eines Bereiches der Übertragungsleitung 206 erstreckt. Die leitfähige Abschirmung 216, die umflochten sein oder in Form eines massiven Gliedes vorliegen kann, ist um den Außenleiter 210 der Übertragungsleitung 206 herum und von diesem durch eine dielektrische Schicht 218 beabstandet angebracht. Der Impedanztransformator 214 gewährleistet eine gute Impedanzanpassung zwischen dem mittelpunktgespeisten Dipolelement 207 des Erregerdipols 202 und der Übertragungsleitung 206 (50Ω). Eine ausführlichere Beschreibung des Aufbaus und des theoretischen Betriebes eines ähnlichen Impedanztransformators und dessen Anwendung in einem medizinischen Instrument ist in der U.S. 4,776,086 mit dem Titel „Method and Apparatus for Hyperthermia Treatment" zu finden.
Mit Bezugnahme auf die 8 ist ein magnetischer Dipol 204 in Form einer spiralförmigen Wicklung 213 vorgesehen, die in dieser Ausführungsform 21 Windungen aufweist, die um eine Längsachse 220 des Elementes 204 gewickelt sind, und die einen Innendurchmesser aufweist, welcher etwas größer als der Außendurchmesser des mittelpunktgespeisten Dipolelementes 207 ist. Spiralförmige Antennenstrukturen ähnlich der spiralförmigen Wicklung 213 sind in Kapitel 7 „The Helical Antenna" of Antennas von J.D. Kraus McGraw Hill Publishing Co. (1988) beschrieben. Die Auswirkungen der Impedanzbelastung auf spiralförmig gewickelte Antennen sind in Kapitel 2 „Wire Antennas" of Small Antennas von K. Fujimoto et al., Research Studies Press Ltd. (1987) beschrieben. Die U.S. 5,755,754 mit dem Titel "Device and Method for Asymmetrical Thermal Therapy with Helical Dipole Microwave Antenna" beschreibt eine Vorgehensweise für die Verwendung einer spiralförmigen Antenne zur Wärmebehandlung von Gewebe.
Die Kondensatoren 222 sind zwischen vorbestimmten der Windungen der spiralförmigen Wicklung 213 elektrisch angeschlossen. Obwohl der spiralförmige Langdraht 213 eine Länge (L) aufweist, die erheblich weniger ist als eine halbe Wellenlänge, sorgt die richtige Positionierung der Kondensatoren 222 entlang der Länge der spiralförmigen Wicklung 213 für eine Stromverteilung, die einer Strahlungsstruktur von einer halben Wellenlänge ähnelt. Ohne eine Impedanzbelastung wäre für die Resonanz und eine effiziente Strahlung bei der erwünschten Betriebsfrequenz eine spiralförmige Wicklung einer viel größeren Länge erforderlich.
Wie oben ausgeführt, kann der Chirurg, dadurch dass der Erregerdipol 202 innerhalb des magnetischen Dipols 204 bewegbar ist, den Erregerdipol 202 zur Optimierung der Impedanzanpassung zwischen den Elementen axial positionieren, wodurch die Mikrowellenenergieübertragung auf den magnetischen Dipol und wiederum auf die Operationsstelle, deren Erwärmung gewünscht wird, maximiert wird. Die Axialbewegung ist kritisch, da sich die dielektrischen Eigenschaften des Gewebes selbst während dessen Erwärmung verändern, so dass eine Veränderung in dessen Impedanzkurven verursacht wird. Deshalb wird sich die optimale Position des Erregerdipols 202 relativ zum magnetischen Dipol 204 bei der Temperaturveränderung des Gewebes verändern. Im Gebrauch stellt der Chirurg die axiale Position des Erregerdipols ein, indem er einen präzisen mechanischen Steuermechanismus verwendet, z.B. ein Mikrometer 224 (5), während er einen Anzeiger 226 (5) überwacht, der die Qualität der Impedanzanpassung (z.B. Reflexionskoeffizientenanzeiger) anzeigt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Bewegung des Erregerdipols 202 innerhalb des magnetischen Dipols 204 die Größenordnung der Reaktanz relativ zur Impedanz (z.B. 50Ω) des mittelpunktgespeisten Dipols 207 dramatisch ändern kann. Unabhängig von der Position und der relativen Reaktanzgrößenordnung sollte die Stromverteilung und das resultierende Strahlungsmuster jedoch im Wesentlichen die- bzw. dasselbe sein.
In den 9A und 9B sind alternative Konstruktionen eines Erregerdipols 202a, 202b gezeigt. Der Erregerdipol 202a ist insbesondere in Form einer einwindigen Faradaykäfig-Rahmenantenne vorgesehen, während der Erregerdipol 202b als Mehrwindungsrahmenantenne ausgebildet ist. Der Erregerdipol 202b kann zusätzliche kapazitive Ladeelemente aufweisen, die zwischen einer oder mehreren Rahmenantennen angeschlossen sind.
Vom Standpunkt der elektromagnetischen Welle aus ist der magnetische Dipol 204 schwebend (d.h. er hat kein Gegengewicht) und wird im T₀-Modus von dem Erregerdipol 202 erregt. Erregung auf diese Weise ist ähnlich der Erregung eines Rechteckwellenleiters im TE₁₀-Modus mit einem elektrischen Monopol, der entlang der Mittellinie einer breiten Wand des Wellenleiters angeordnet ist.
Im Gebrauch wird die Antenne 200 durch einen Katheter 205 zur Operationsstelle eingeführt. Elektrische Leistung wird von der Leistungsquelle S1 an den Erregerdipol 202 angelegt. Durch Beobachten der Menge der reflektierten Leistung am Anzeiger 126 stellt der Chirurg die Position des Erregerdipols 202 innerhalb des magnetischen Dipols 204 mittels Verwendung eines Mikrometers 224 ein. Ist der Pegel der reflektierten Leistung an einem Minimum, so ist sich der Chirurg sicher, dass er die optimale Position gefunden hat.
In den 10A–10C wird eine Empfangsantenne 250 zum Detektieren von Energie, die beispielsweise von der Antenne 200 abgestrahlt wird, gezeigt. Die Empfangsantenne 250 umfasst eine Diodenanordnung 252, die am distalen Ende der Empfangsantenne 250 positioniert ist. Die Diodenanordnung 252 umfasst Gleichrichterelemente in Form der Dioden 254, deren Kathoden 256 an einem gemeinsamen distalen Knoten 258 angeschlossen sind. Die Anoden 260 der Dioden 254 sind mit einer der Zuleitungen 262 verbunden, die als Elemente zum Empfangen und Befördern der elektromagnetischen Wellenenergie zu den Dioden dienen. Die gegenüberliegenden Enden der Zuleitungen 262 sind über eine leitfähige Scheibe 270 mit einem Außenleiter 268 einer Mikro-Koaxialübertragungsleitung 266 verbunden. Jede Kathode der Dioden 254 ist mit einem Mittelleiter 264 der Mikro-Koaxialübertragungsleitung 266 verbunden. Die Übertragungsleitung 266 hat den gleichen Aufbau wie die Übertragungsleitung 206 der Antenne 200 (s. 6). Die Übertragungsleitung 266 umfasst insbesondere einen Außenleiter 268, der von dem Mittelleiter 264 durch ein (nicht dargestelltes) Dielektrikum beabstandet ist, um einen 50Ω-Wellenwiderstand bereitzustellen. Ein gegabelter Impedanztransformator 272, der durch eine leitfähige Abschirmung 274 definiert ist, erstreckt sich entlang eines Bereiches der Übertragungsleitung 266. Die leitfähige Abschirmung 274, die umflochten sein oder in Form eines massiven Gliedes vorliegen kann, ist um den Außenleiter 268 der Übertragungsleitung 266 herum und von diesem durch eine dielektrische Schicht 278 beabstandet angebracht. Der Impedanztransformator 272 gewährleistet eine gute Impedanzanpassung zwischen der Diodenanordnung 252 und der Übertragungsleitung 266.
Jede Diode 254 nimmt eine Gleichrichtung der entlang ihrer zugeordneten Zuleitungen 262 empfangenen elektromagnetischen Wellen vor und erzeugt ein direktes (Gleich-) Stromsignal. Der von jeder Diode 254 erzeugte Strom wird am Knoten 258 aufsummiert und über eine Koaxialübertragungsleitung 266 einem (nicht dargestellten) Messsystem zugeführt. Die Dioden 254 können eingekapselt oder vergossen sein, um der Anordnung 252 mechanische Stabilität zu verleihen.
In den 11-14 ist ein medizinisches Mikrowellensystem 300 gezeigt, das besonders gut für die Verwendung mit der Antenne 200 geeignet ist. Das System 300 umfasst einen Katheter 302 mit einem aufblasbaren Yagi-Ballon 304 und einem aufblasbaren Fixierballon 306. Wie unten ausführlicher erörtert, wird der Fixierballon 306 im Betrieb zur mechanischen Fixierung der Position des Katheters in einer Körperpassage, z.B. der Harnröhre, verwendet. Bei Positionierung im Rektum kann ein Rektalkatheter durch externe Mittel in Position gebracht werden. Andererseits wird der Yagi-Ballon 304 zum Steuern der Zufuhr von Energie, die von der Antenne 200 ausgestrahlt wird, auf das umliegende Gewebe verwendet. Durch Variieren der Fluidmenge (z.B. Wasser), und somit der Menge des dielektrischen Materials zwischen der Strahlungsantenne und dem Gewebe, wird das Strahlungsmuster der Energie von der Antenne gesteuert. Das Fluid kann auch als ein wärmeableitendes Medium zum Abziehen der Wärme von der Antenne dienen. Tatsächlich kann die Zugabe von Zusatzstoffen zum Fluid oder die Verwendung eines unterschiedlichen Fluids (z.B. Kochsalzlösung) den wärmeabführenden Effekt erhöhen.
In bestimmten Anwendungen kann die Temperatur des Fluids oder die Dielektrizitätskonstante des Fluids so gesteuert werden, dass die Wirksamkeit der Behandlung gesteigert wird. Beispielsweise kann durch Verändern des Salzgehaltes von Wasser, das zum Aufblasen des Yagi-Ballons 304 verwendet wird, die Dielektrizitätskonstante moduliert werden.
In dieser Ausführungsform dehnt sich der Yagi-Ballon 304 symmetrisch aus. In bestimmten Anwendungen kann der Ballon jedoch so konstruiert sein, dass er sich asymmetrisch ausdehnt, z.B. mit einem Zwischenraum zwischen der Antenne 200 und dem Direktor 330, der größer ist, als der zwischen der Antenne und dem Reflektor 328.
Der Katheter 302 umfasst einen mittigen Kanal 308, der von der Größe her derart ausgelegt ist, dass es der Antenne 200 möglich ist, sich zu dem Yagi-Ballon 304 hin zu erstrecken. In bestimmten Anwendungen kann der mittige Kanal 308 auch zum Führen des Katheters 302 über eine Positioniersonde (nicht dargestellt) verwendet werden. Ein Arretiermechanismus 310 zum Fixieren der Position der Antenne 200 gegenüber dem Yagi-Ballon 304 ist am proximalen Ende des Katheters 302 vorgesehen. Eine Fluidzufuhrkammer 312 und eine Fluidextraktionskammer 314 umgeben den mittigen Kanal 308, damit während des Betriebes der Antenne 200 Kühlfluid jeweils vom Katheter 302 in den Bereich des Yagi-Ballons 306 eingeführt bzw. entnommen werden kann.
Ein Lumen 316 erstreckt sich durch den Katheter 302 vom Yagi-Ballon 304 zu einem Spritzenventil 318, das mit einer Fluidquelle (z.B. einer Spritze) verbunden ist, um den Yagi-Ballon aufzublasen. Ein zweites Lumen 320 erstreckt sich in ähnlicher Weise durch den Katheter 302 vom Fixierballon 306 zu einem Spritzenventil 322, das mit einer separaten Fluidquelle (z.B. einer Spritze) verbunden ist, um den Fixierballon aufzublasen. Temperatursensoren 324 sind an der Außenfläche des Katheters 302 befestigt und sind elektrisch mit der Temperatursteuereinheit S2 ( 1) über faseroptische Leitungen (nicht dargestellt) verbunden, die durch sich durch den Katheter erstreckende Lumen 326 angeordnet sind, um Signale bereitzustellen, die die Temperatur des Gewebes anzeigen.
Wie im Fall der Ausführungsform der in den 1–4 gezeigten Anordnung 12 können Reflektor- und Direktorelemente verwendet werden, um die Fokussierung der von der Antenne 200 auf einen bestimmten Bereich des Gewebes abgestrahlten Energie zu verbessern.
Mit Bezugnahme insbesondere auf die 12 können in einer Ausführungsform ein oder mehrere Reflektoren 328 entlang der Innenfläche 329 des Yagi- Ballons 304 ausgebildet sein, um abgestrahlte Energie, die auf den Reflektor trifft, zurück zum erwünschten Gewebebereich zu lenken. In dieser Ausführungsform liegt der Reflektor 328 in der Form einer dünnen leitfähigen Platte vor, die einen rechtwinkligen Bereich von ca. 60° bedeckt. Zusätzlich zum Reflektor 328 ist ein Direktor 330 in Form einer leitfähigen Platte auf einem Bereich der Innenfläche 329 diametrisch der des Reflektors 328 gegenüberliegend ausgebildet. Der Direktor 330 bedeckt einen Bereich von 30°. In alternativen Ausführungsformen können der Reflektor 328 und der Direktor 330 in Form eines leitfähigen Netzes oder einer Anordnung von Drähten vorliegen. Das Verändern des Fluidvolumens innerhalb des Yagi-Ballons 304 verändert den Durchmesser des Ballons sowie den relativen Abstand zwischen der Antenne 200 und dem Reflektor 328 und dem Direktor 330.
Diese Anordnung der Positionierung des aktiven Antennenelementes 200 zwischen einem Reflektor 328 und einem Direktor 330 stellt im Wesentlichen eine Antenne mit einer erhöhten Richtwirkung und einem höheren Antennengewinn bereit, die üblicherweise Yagi-Antennen zugeordnet sind. Der vergrößerte Verstärkungsverlauf, der so viel wie 6 dB betragen kann, ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der für die Antenne 200 erforderlichen Leistung um einen Faktor von vier. Der Betrieb bei reduzierter Leistung erlaubt eine niedrigere Leistung, die Verwendung von preiswerteren Leistungsquellen, erhöht die Zuverlässigkeit der Quelle und sorgt für ein erheblich sichereres medizinisches Verfahren. Wo eine höhere Leistung von der Quelle zur Verfügung steht und für die Erwärmung gewünscht wird, ermöglicht der erhöhte Verstärkungsverlauf der Antenne 200 ferner einer tiefere Wärmedurchdringung des Gewebes (d.h. der Prostata).
Wie in 15 gezeigt, ist das Mikrowellenantennensystem 300 besonders für die Verwendung bei der Behandlung und Diagnose von Prostatakrebs sowie benigner Prostatahyperplasie (BPH) attraktiv. Der Krebs einer Prostata 101 beispielsweise entsteht häufig an einem hinteren Bereich der Prostata nahe der Rektumwand 102. Somit ist das System 300 für diese Behandlung hilfreich, weil der Zugriff auf die Prostata 101 durch das Rektum 104 und/oder die Harnröhre 106 erreicht werden kann. Der Arzt kann beispielsweise das Mikrowellenantennensystem 300 in die Harnröhre 106 einführen, während die Empfangsantenne 50, wie gezeigt, durch den Anus 108 und im Rektum 104 positioniert wird. Bei dieser Anwendung wird das Mikrowellenantennensystem 300 zum Erreichen eines hohen Grades an einheitlicher Wärme durch die Prostata 101 genutzt, während die Empfangsantenne 250 das von dem Antennensystem 300 abgestrahlte Energieniveau überwacht.
Eine Vorgehensweise zum Behandeln oder Diagnostizieren der Prostata mittels Verwendung dieser Vorrichtungen folgt. Der Katheter 302 wird zunächst in die Harnröhre eingeführt und unter Verwendung bekannter Positioniertechniken wie Ultraschall oder mehrere röntgensichtbare Marker auf dem Katheter 302 richtig positioniert, so dass der Yagi-Ballon 304 angrenzend an die Prostata 101 positioniert wird. Nach der Positionierung führt der Therapeut oder Chirurg ein Fluid durch das Ventil 322 zu, um den Fixierballon 306 aufzublasen, wodurch die Position des Katheters 302 in der Passage fixiert wird.
Die Antenne 200 wird dann durch den zentralen Lumen 308 eingeführt, bis der magnetische Dipol 204 und der mittelpunktgespeiste Dipol 207 beide innerhalb des Yagi-Ballons 304 positioniert sind. Ein relativ niedriger Leistungspegel (z.B. 100 mWatt) wird dann von der Leistungsquelle S1 an der Antenne angelegt. Während des Beobachtens des Anzeigers 226 für den Reflexionskoeffizienten (5) wird die axiale Position des Erregerdipols 202 relativ zum magnetischen Dipol 204 eingestellt, bis ein minimaler Reflexionskoeffizient erreicht ist, wodurch eine maximale Übertragungsleistung in die Prostata gewährleistet ist. Die angelegte Leistung von der Leistungsquelle wird erhöht (z.B. 1 bis 2 Watt), und das Fluid wird dann in den Yagi-Ballon 304 über das Ventil 318 zugeführt, so dass sich der Yagi-Ballon aufbläst.
Die Empfangsantenne 250 wird an einer Position nahe der Prostata in das Rektum eingeführt, um Energie zu detektieren, die von der in der Harnröhre 104 positionierten Antenne 200 ausgestrahlt wird. Dadurch können jegliche Änderungen im Strahlungsmuster der Antenne 200, die von Änderungen im Fluidvolumen in dem Yagi-Ballon 304 verursacht werden, von der Empfangsantenne 250 erkannt und bei spielsweise auf einem Bildschirmmonitor 5a beobachtet werden. Hierdurch kann das Strahlungsmuster der Antenne 200 vom Therapeuten verändert oder moduliert werden. In anderen Anwendungen kann der Leistungspegel, der von der Quelle an der Antenne 200 angelegt wird, so moduliert werden, dass die Erwärmung des Gewebes gesteuert wird.
Wie oben dargelegt ändert sich die Dielektrizitätskonstante des bestrahlten Gewebes aufgrund der Erwärmung in erster Linie deshalb, weit sich die Menge des Fluids im Gewebe verändert. Deshalb kann es für den Therapeuten während des Vorganges wünschenswert sein, die axiale Position des Erregerdipols 202 relativ zum magnetischen Dipol 204 nochmals erneut einzustellen, um einen minimalen Reflexionskoeffizienten zu erhalten.
In den 16A und 16B ist eine diagnostische Vorgehensweise für die Verwendung des Mikrowellenantennensystems 300 zur Behandlung der Prostata 101 gezeigt. Bei diesem Lösungsweg wird das Antennensystem 300 in einem diagnostischen Verfahren zur Lokalisierung der Gewebegrenzen verwendet, die durch den inhärenten dielektrischen Kontrast zwischen abnormen und normalen Geweben aufgrund ihres relativen Wassergehaltes entstehen.
Bei diesem diagnostischen Verfahren wird das Mikrowellenantennensystem 300 des in 11 gezeigten Typs durch die Harnröhre 106 geführt, während die Empfangsantenne 250 in das Rektum 104 eingeführt wird. Die Empfangsantenne 250 wird zum Empfangen von Signalen verwendet, die vom Antennensystem 300 übertragen werden. Die vom Antennensystem 300 übertragenen Signale werden von den elektrischen Eigenschaften des Gewebemediums gedämpft. Durch Messen bestimmter Eigenschaften der Signale während deren Durchlaufen durch das Gewebe können somit Materialeigenschaften des Gewebes, wie die elektrische Dämpfungskonstante (a), in Neper/Länge bestimmt werden. Die Dämpfungseigenschaften der durch das Gewebe hindurchlaufenden Signale sorgen für eine Angabe hinsichtlich des Typs (z.B. Knochen, Muskel, Tumor) und der relativen Normalität dieses Gewebes. Beispielsweise weist gesundes Muskelgewebe normalerweise einen geringeren Wassergehalt auf als karzinomatöses Gewebe. Wird die vom Antennensystem 300 übertragene Energie mit schmaler Strahlbreite durch einen Bereich des gesunden Gewebes gelenkt und in das neoplastische Gewebe hinein sowie durch erwärmtes und nicht erwärmtes Gewebe, so kann eine Veränderung im Wert der Dämpfungskonstante beobachtet werden.
Im oben beschriebenen Verfahren wurde die Empfangsantenne 250 innerhalb des Rektums angeordnet, um die vom Mikrowellenantennensystem 300 ausgestrahlte Energie zu erkennen. In anderen Verfahren kann ein Mikrowellenantennensystem 300 sowohl im Rektum 104 als auch in der Harnröhre 106 eingesetzt werden, so dass die Prostata 101 von zwei unterschiedlichen Positionen aus bestrahlt wird.
Der Computer 5 würde im allgemeinen einen Computerbildschirmmonitor 5a (1) zum Anzeigen kontinuierlicher Werte von Temperaturänderungen an den Grenzen einer Abbildung eines simulierten Zielorgans (z.B. der Prostata) oder eines Ultraschallbildes umfassen. Ein schematisches Modell des Zielorgans, das die Anatomie wiedergibt, würde mit unterschiedlichen überlagerten Farben abgebildet sein, welche die unterschiedlichen Temperaturbereiche in verschiedenen Bereichen des Organs wiedergeben. Hierdurch ist der Therapeut oder Chirurg in der Lage, die Zielstelle und die Effektivität durch die Anwendung von Wärme von dem System in Echtzeit zu bestimmen. Der Monitor kann die von jedem der Sensoren detektierte Temperatur in Abhängigkeit der Zeit abbilden und Start- und Endpunkte für die Behandlung bereitstellen.
Aufgrund der von den Sensoren empfangenen Signale ist der Computer 5 in der Lage, Warnmeldungen auszugeben, die auf dem Monitor angezeigt werden, wenn die Temperaturen vorbestimmte Schwellenwerte übersteigen. Der Computer 5 kann die Leistungsquelle S1 auch automatisch abschalten, wenn beispielsweise die Temperaturen für eine inakzeptable Zeitdauer hoch bleiben oder wenn ein Fehler im System erkannt wird. Der Computer 5 enthält auch einen Speicher zum Speichern statistischer Daten, einschließlich Patienteninformationen, aktuelle Labordaten sowie Daten, die während des Verfahrens gesammelt werden.
Ein Artikel von McCorkie et al. mit dem Titel „Monitoring a Chemical Plume Remediation via the Radio Imaging Method" stellt eine mathematische Analyse zum Bestimmen der elektrischen Dämpfungskonstante zur Verfügung.
Die oben beschriebenen Antennensysteme sind für diese Anwendung sehr gut geeignet, da sowohl die Antennensysteme 10 und 300 als auch die Empfangsantenne 250 mit der Richtung des durch verschiedene Positionen 110–114 elektrisch geschwenkten Energiestrahls ortsfest verbleiben können, indem die Amplitudenphase und die Eigenschaften der Mikrowellenleistungsquelle S1 variiert werden. Ein Netzanalysator 115 (15), z.B. ein HP 8510 Vektor-Netzanalysator (ein Produkt der Hewlett Packard Company, Palo Alto, CA) wird mit dem Antennensystem 250 verbunden, um die Impedanz am distalen Ende des Antennensystems 250 zu messen. Die Impedanz wird zur Ableitung der Dämpfungs- und Phasenkonstantenwerte für jede Messung benutzt.
Es gilt jedoch auch zu würdigen, dass eine Übertragungsmikrowellenantenne physikalisch bewegbar ist, z.B. durch den Arzt, um eine Reihe von Dämpfungskennwerten bereitzustellen, die zur Charakterisierung des Gewebes im Wirkbereich verwendet werden können. Die Übertragungsantenne kann ebenfalls um ihre Achse gedreht werden, um eine weitere Richtungssteuerung des übertragenen Energiestrahls zu bewirken.
Weitere Ausführungsformen sind im Umfang der Ansprüche enthalten.
Es ist wichtig zu würdigen, dass die Katheter 14 und 302 jegliche aus einer großen Vielfalt von Kathetern unterschiedlicher Konfigurationen und Größen sein können. Die bestimmte Anwendung, in der das Mikrowellenantennensystem verwendet wird, gibt im allgemeinen die Auswahl des Zufuhrkatheters, der Sonde sowie die Anzahl und bestimmte Konfiguration der Antennen vor. Bei Verwendung in der Harnröhre können beispielsweise flexible Katheter des Foley-Typs im Größenbereich zwischen 18–28 F verwendet werden. Beim Einführen in das Rektum können andererseits größere Katheter von 22 bis 32 F geeigneter sein. Der Rektalkatheter kann von einem Ultraschallabbildungswandler begleitet sein, die beide in eine Halteummantelung eingesetzt sind. Die Katheter können kleine Vorsprünge entlang der Länge der Katheter zur Vereinfachung ihrer Positionierung während der Zufuhr aufweisen. Die Antennen selbst sind strahlenundurchlässig und tragen zur Feststellung ihrer Position bei.
Obgleich die obigen Ausführungsformen geschlossene Katheter beschreiben, kann für alternative Anwendungen die Verwendung von offenen Kathetern für Längsstrahlkonfigurationen erforderlich sein. Zusätzliche Lumen zur Zufuhr von Spülfluids oder therapeutischen Wirkstoffen (z.B. chemotherapeutische Wirkstoffe, Hypothermie- und/oder thermische Sensibilisatoren) können auch gleichzeitig oder nacheinander eingebracht werden, um die von den Antennen bereitgestellte Wärmetherapie zu verbessern.
In der oben beschriebenen Vorgehensweise wurde die elektrische Dämpfungskonstante zum Charakterisieren des Gewebes verwendet. Es können jedoch auch andere Parameter aus den Impedanzmessungen zur Charakterisierung des Gewebes abgeleitet werden. Beispielsweise die Permittivität oder komplexe Dielektrizitätskonstante (ε* = ε' – jε'') als ein Indikator des Wassergehalts in Gewebe, der – wie oben beschrieben – zur Bestimmung des Gewebetyps verwendet werden kann. Bei dieser Vorgehensweise ist im allgemeinen ein Kalibrierungsvorgang erforderlich, um Impedanzreferenzwerte für verschiedenen bekannte Materialien zu ermitteln, die beispielsweise von destilliertem Wasser bis hin zu einer Probe ohne Wasser reichen. Zwischen diesen beiden Extremen können mit dem Antennensystem verschiedene Typen von Geweben und Neoplasmen gemessen werden, um eine Datenbank mit Impedanzwerten für unterschiedliches Gewebe zu errichten.
Die Fähigkeit, das Mikrowellenantennensystem 10 in einem Diagnoseverfahren zu verwenden, stellt ein bedeutendes Werkzeug dar, insbesondere wenn das Antennensystem auch zur Bereitstellung einer Hyperthermie-Behandlung (d.h. in einem Erwärmungsmodus) benutzt wird. Im Wesentlichen wird das Diagnoseverfahren zum Identifizieren und Isolieren von Bereichen verwendet, die eine Behandlung im Erwärmungsmodus erfordern. Das Antennensystem 10 stellt somit eine dynamische Lösung mit Doppelfunktion für die Behandlung von Gewebe bereit. Die Verwendung des Antennensystems 10 auf diese Weise ist besonders wichtig, wenn man erkennt, dass sich die dielektrischen Eigenschaften des Gewebes mit der Temperatur verändern. Durch abwechselnden Erwärmungs- und Diagnosebetrieb kann die präzise Steuerung des Niveaus und der Richtung der Wärme, die von der Mikrowellenquelle angelegt wird, ausgeführt werden. Während des Erwärmens nimmt beispielsweise der Wassergehalt des Gewebes ab, so dass sich deshalb der Grad, mit dem Wärme von dem Gewebe absorbiert wird, vermindert. Ferner verursacht der abnehmende Wassergehalt eine Verkleinerung des Organs. Im diagnostischen Betrieb wird die Änderung der Größe und des Wassergehalts in einer Änderung der Impedanz sowie der Dielektrizitätskonstante reflektiert. Aufgrund dieser Veränderung kann der Amplituden- und Phasengang der Signale, die an jeder Antenne der Anordnung angelegt werden, verändert werden, um so die Richtung und das Niveau der auf den Tumor angewendeten Energie präziser zu steuern.
Wie oben dargelegt, kann sich die Impedanz des behandelten Gewebes während der Behandlung erheblich verändern. Ist dies der Fall, so kann der Arzt den Katheter entfernen und eine zweite Mikrowellenantennenvorrichtung 300 oder 10 mit unterschiedlichen Merkmalen einführen. Beispielsweise kann ein Mikrowellenantennensystem mit geringfügig unterschiedlichen Abständen zwischen angrenzenden Antennen eingesetzt werden.
Obgleich in den 6A und 6B nur ein einzelnes Strahlungsmikrowellensystem 10 gezeigt ist, gilt zu würdigen, dass ein separates Empfangsantennensystem 250 die Verwendung von zwei oder mehreren Strahlungsmikrowellenantennensystemen 300 ermöglicht, um eine größere Vielfalt unterschiedlicher Erwärmungsmusterformen zur Verfügung zu stellen.
Während z.B. das Wärmerohr S3 in 4 als Bestandteil der Antennenanordnung gezeigt und oben erläutert wurde, könnte das Wärmerohr als separate Vorrichtung bereitgestellt werden. Ferner kann das Wärmerohr derart betrieben werden, dass das Gewebe, das an die Antenne angrenzt, iterativ abgekühlt und erwärmt wird.
Während in der 5 ferner die Verwendung einer Vielzahl von Mikrowellenantennenvorrichtungen gezeigt ist, die zur Behandlung der Prostata durch die Harnblase und das Rektum eingeführt werden, können ähnlich Methoden in anderen Körperbereichen angewendet werden, z.B. an der Leber oder Niere.
Noch weitere Ausführungsformen sind im Umfang der Ansprüche enthalten.

Claims

Medizinisches Behandlungssystem zum Behandeln von Gewebe, aufweisend: eine Antenne (22, 24, 26; 200) mit einem Strahlungselement (202, 204, 207), welches zum Übertragen elektromagnetischer Energie zu einem erwünschten Bereich des Gewebes konfiguriert ist, wobei das Strahlungselement (202, 204, 207) ein Innenvolumen (52) zum Aufnehmen eines Wärmeaustauschfluids (62) aufweist und dadurch die Temperatur proximal zum erwünschten Bereich des Gewebes ändert, eine Übertragungsleitung (28, 30, 32, 206), welche am Strahlungselement (202, 204, 207) zum Übertragen der elektromagnetischen Energie von einer elektromagnetischen Energiequelle (81) zur Strahlungsquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitung (28, 30, 32, 206) eine Leitung bzw. Rohrleitung (60) beinhaltet, welche sich zum Befördern des Wärmeaustauschfluids (62) vom Wärmetauscher (56) zum Strahlungselement (202, 204, 207) durch dieselbe erstreckt.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Innenvolumen des Strahlungselements und die Leitung (60) der Übertragungsleitung (28, 30, 32, 206) größenmäßig so zugeschnitten sind, dass eine Kapillarwirkung des Fluids (62) verursacht wird, welches zwischen dem Innenvolumen (52) und der Leitung (60) fließt.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsleitung einen hohlen Mittelleiter (60) und eine äußere Abschirmung (64) beinhaltet, welche in Bezug auf den Mittelleiter koaxial angeordnet ist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, welches zudem einen innerhalb der Koaxialübertragungsleitung (28, 30, 32, 206) angeordneten Transformator (46, 48, 54) aufweist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 4, wobei der Transformator (46, 48, 54) in Form einer Metallhülse (73) ist, welche die äußere Abschirmung (64) der Koaxialübertragungsleitung umgibt.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 4, wobei der Transformator (46, 48, 54) um eine viertel Wellenlänge bei einer vorbestimmten Frequenz der Operation vom Strahlungselement (207) beabstandet ist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, welches zudem den Wärmetauscher (56) einschließlich eines Kondensators aufweist und wobei das Wärmeaustauschfluid (62) ein Kühlmittel ist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Antenne ein Dipol ist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, welches zudem einen Katheter (302) mit einem proximalen Ende, distalen Ende und einem sich durch dieselben erstreckenden Innenlumen (316, 320) aufweist, wobei der Katheter (302) größenmäßig derart ausgelegt ist, um die Antenne aufzunehmen.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, welches ferner eine Vielzahl von Antennen aufweist, welche jeweils ein Strahlungselement zum Übertragen einer elektromagnetischen Energie zum erwünschten Bereich aufweisen.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 10, wobei jede der Vielzahl von Antennen so konfiguriert ist, eine elektromagnetische Energie mit einem ausgewählten Amplituden und Phasen charakteristisch auszustrahlen, so dass die übertragene Energie im Ganzen zum erwünschten Bereich des Gewebes geleitet wird.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, welches ferner einen Temperaturdetektor (29, 31, 33, 35) zum Abtasten der Temperatur an einer Stelle in der Nähe des Strahlungselements und zum Versorgen des Wärmetauschers (56) mit Signalen in Erwiderung auf die abgetastete Temperatur aufweist, um die Menge des Fluids (62) zu steuern, welche zum Innenvolumen (52) des Strahlungselements geliefert wird.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 12, welches ferner eine Vielzahl von Temperaturdetektoren (29, 31, 33, 35) beinhaltet, welche jeweils mit einem unterschiedlichen Bereich des Strahlungselements assoziiert werden.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die elektromagnetische Energie eine Frequenz in einem Bereich zwischen 0,3 und 10 GHz aufweist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die elektromagnetische Energie einen Leistungspegel in einem Bereich zwischen ca. 100 mWatt und 150 Watt aufweist.
Medizinisches Wärmebehandlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: ein erstes medizinisches Instrument, welches das erste Antennensystem beinhaltet, welches zum Ausstrahlen der elektromagnetischen Energie zum zu erwärmenden Gewebe konfiguriert ist, wobei das erste Antennensystem ein Strahlungselement mit einem Innenvolumen zum Aufnehmen eines Wärmeaustauschfluids und Ändern der Temperatur proximal zum Gewebe aufweist; und ein zweites medizinisches Instrument, welches ein zweites Antennensystem (250) zum Empfangen der ausgestrahlten elektromagnetischen Energie vom ersten medizinischen Instrument beinhaltet.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Antenne (200) ein Paar an Strahlungselementen beinhaltet, von welchen eines als bewegbarer Erregerdipol (202) und das andere als magnetisches Dipolelement (204) dient, wobei der Erregerdipol (202) eine Mikro-Koaxialübertragungsleitung (206) beinhaltet, welche sich vom proximalen Ende (208) erstreckt, welches an einem entsprechenden Anschluss der Leistungsquelle (S1) an ein mittelpunktgespeistes Dipolelement (207) angeschlossen ist; und wobei das magnetische Dipolelement (204) die Form einer spiralförmigen Wicklung (213) hat, welche um eine Längsachse (220) des magnetischen Dipols (204) gewickelt ist und einen Innendurchmesser aufweist, welcher etwas größer als der Außendurchmesser des mittelpunktgespeisten Dipolelements (207) ist.
Medizinisches Behandlungssystem nach Anspruch 17, wobei das mittelpunktgespeiste Dipolelement (207) durch einen Spalt (209) definiert ist, welcher durch das Entfernen eines Abschnitts der äußeren Abschirmung (210) in einem Abstand von einem viertel Wellenlänge von einem distalen Ende (211) der Antenne (200) gebildet ist.