JP2008086525A - Miniaturized microwave hyperthermia treatment system - Google Patents

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Koichi Demura
公一 出村
Shigehiro Morikawa
茂廣 森川
Nariyuki Naka
成幸 仲
Yoshimasa Kurumi
良誠 来見
Toru Tani
徹 谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a miniaturized microwave hyperthermia treatment system for monitoring spacial temperature distribution by an MR temperature image. <P>SOLUTION: The system is for a hyperthermia therapeutic device system for treating a malignant tumor. The 7T static magnetic field strength is used for sensing the temperature rise by the MR temperature image so that the hyperthermia therapy at 42-43 °C can be monitored. Microwaves are applied to the malignant tumor by a 2.45 GHz microwave generator. The hyperthermia therapeutic device system for treating the malignant tumor has a function of intermittently repeating the turning on/off of a power supply switch to control the temperature of a target region at a target level. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、MR温度画像により空間的温度分布をモニターするための、小型マイクロ波温熱治療システムに関するものである。   The present invention relates to a miniature microwave thermotherapy system for monitoring spatial temperature distribution with MR temperature images.

最近、様々な最小の侵襲性の治療手段が癌治療に利用可能になり、温熱治療はこれらの治療手段のうちの1つである。しかしながら、そのような療法単独では、すべての癌腫で、必ずしも有効ではなく、集学的治療が必要である。温熱治療は、放射線療法または化学療法の効果を増強するために使用される(非特許文献1)。ランダム化比較試験では、温熱治療は、放射線療法または化学療法との併用において効果的な癌治療として報告されている(非特許文献2)(非特許文献3)(非特許文献4)(非特許文献5)(非特許文献6)。加温技術および温度のモニタリングはこの治療の主な課題である。正確に生体内温度測を測定する事は非常に難しい。生体における温度分布は、一般的に不均一で予測不能である。しかしながら、臨床の正確性および安全性のためには、温熱治療中の温度モニタリングは不可欠である。関心領域だけでなく予測不能のホット・スポット(それらは重大な副作用を引き起こすかもしれない)を回避するために周辺の領域の温度を測定することも重要である。温度測定法には2つのタイプの測温法があり侵襲的・非侵襲的な測温法がある。侵襲的な測温(温度プローブは組織へ刺入される)は多くの問題を引き起こす場合がある。目標部位へのセンサーの正確な刺入は困難であり、プローブの刺入は患者に侵襲的である。また、刺入は腫瘍の出血あるいは播種を引き起こす場合がある(非特許文献7)(非特許文献8)。更に、侵襲的な測温で、多くのポイントで温度の情報を得ることはほとんどできない。1つあるいは限られたいくつかのポイントの温度の情報で、個々の治療計画の立案は困難である。
非侵襲的な測温法として、磁気共鳴(MR)温度画像は有望である。非侵襲的なMR温度画像は、2-次元の画像上の温度変化を示すことができる。MRでの温度モニタリングのためのいくつかの方法がある(非特許文献9)。スピン格子緩和時間(T1)、拡散係数、組織水のプロトン共鳴周波数(PRF)およびスペクトロスコピーイメージングを使用する方法である。温熱治療中のMR温度モニタリングに最もふさわしい方法は、量的で、敏感で、正確であるのでPRF方法である(非特許文献10)。我々は、先に、0.5TのオープンMRシステムで、肝臓腫瘍に対して、MRガイド下マイクロ波熱凝固治療を開発した(非特許文献11)(非特許文献12)(非特許文献13)(非特許文献14)。マイクロ波の照射は、MR画像に影響を与えず、リアルタイムMR温度画像で治療効果をモニターすることができた。MR画像とマイクロ波は相性がよいことが分かった。
van der Zee, J. Heating the patient: a promising approach? Ann Oncol 13: 1173-1184, 2002. Overgaard, J., Gonzalez Gonzalez, D., Hulshof, M. C., Arcangeli, G., Dahl, O., Mella, O., and Bentzen, S. M. Randomised trial of hyperthermia as adjuvant to radiotherapy for recurrent or metastatic malignant melanoma. European Society for Hyperthermic Oncology. Lancet 345: 540-543, 1995. van der Zee, J., Gonzalez Gonzalez, D., van Rhoon, G. C., van Dijk, J. D., van Putten, W. L., and Hart, A. A. Comparison of radiotherapy alone with radiotherapy plus hyperthermia in locally advanced pelvic tumours: a prospective, randomised, multicentre trial. Dutch Deep Hyperthermia Group. Lancet 355: 1119-1125, 2000. Vernon, C. C., Hand, J. W., Field, S. B., Machin, D., Whaley, J. B., van der Zee, J., van Putten, W. L., van Rhoon, G. C., van Dijk, J. D., Gonzalez Gonzalez, D., Liu, F. F., Goodman, P., and Sherar, M. Radiotherapy with or without hyperthermia in the treatment of superficial localized breast cancer: results from five randomized controlled trials. International Collaborative Hyperthermia Group. Int J Radiat Oncol Biol Phys 35: 731-744, 1996. Sneed, P. K., Stauffer, P. R., McDermott, M. W., Diederich, C. J., Lamborn, K. R., Prados, M. D., Chang, S., Weaver, K. A., Spry, L., Malec, M. K., Lamb, S. A., Voss, B., Davis, R. L., Wara, W. M., Larson, D. A., Phillips, T. L., and Gutin, P. H. Survival benefit of hyperthermia in a prospective randomized trial of brachytherapy boost +/- hyperthermia for glioblastoma multiforme. Int J Radiat Oncol Biol Phys 40: 287-295, 1998. Kitamura, K., Kuwano, H., Watanabe, M., Nozoe, T., Yasuda, M., Sumiyoshi, K., Saku, M., and Sugimachi, K. Prospective randomized study of hyperthermia combined with chemoradiotherapy for esophageal carcinoma. J Surg Oncol 60: 55-58, 1995. Kato, H., Koyama, T., Nikawa, Y., and Saito, M. Research and development of hyperthermia machines for present and future clinical needs. Int J Hyperthermia 14: 1-11, 1998. Wust, P., Gellermann, J., Harder, C., Tilly, W., Rau, B., Dinges, S., Schlag, P., Budach, V., and Felix, R. Rationale for using invasive thermometry for regional hyperthermia of pelvic tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys 41: 1129-1137, 1998. Quesson, B., de Zwart, J. A., and Moonen, C. T. Magnetic resonance temperature imaging for guidance of thermotherapy. J Magn Reson Imaging 12: 525-533, 2000. Wlodarczyk, W., Hentschel, M., Wust, P., Noeske, R., Hosten, N., Rinneberg, H., and Felix, R. Comparison of four magnetic resonance methods for mapping small temperature changes. Phys Med Biol 44: 607-624, 1999. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., Naka, S., Sato, K., Tani, T., Yamamoto, I., and Fujimura, M. MR-guided microwave thermocoagulation therapy of liver tumors: initial clinical experiences using a 0.5 T open MR system. J Magn Reson Imaging 16: 576-583, 2002. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., Naka, S., Sato, K., Tani, T., Haque, H. A., Tokuda, J., and Hata, N. New assistive devices for MR-guided microwave thermocoagulation of liver tumors. Acad Radiol 10: 180-188, 2003. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., Naka, S., Sato, K., Demura, K., Tani, T., Haque, H. A., Tokuda, J., and Hata, N. Advanced computer assistance for magnetic resonance-guided microwave thermocoagulation of liver tumors. Acad Radiol 10: 1442-1449, 2003. Abe, H., Kurumi, Y., Naka, S., Shiomi, H., Umeda, T., Naitoh, H., Endo, Y., Hanasawa, K., Morikawa, S., and Tani, T. Open-configuration MR-guided microwave thermocoagulation therapy for metastatic liver tumors from breast cancer. Breast Cancer 12: 26-31, 2005. Peters,R.D.,Hinks,R.S.,andHenkelman,R.M.Exvivotissue-typeindependenceinproton-resonancefrequencyshiftMRthermometry.MagnResonMed40:454-459,1998. Bland,J.M.,andAltman,D.G.Statisticalmethodsforassessingagreementbetweentwomethodsofclinicalmeasurement.Lancet1:307-310,1986. Morikawa,S.,Inubushi,T.,Kurumi,Y.,andNaka,S.FesibilityofmicrowaveablationforMR-Guidedinterstitialthermaltherapy:anexperimentalstudyusing2TMRsystem.JpnJMagnResonMed21:79-84,2001. Oleson,J.R.,Samulski,T.V.,Leopold,K.A.,Clegg,S.T.,Dewhirst,M.W.,Dodge,R.K.,andGeorge,S.L.Sensitivityofhyperthermiatrialoutcomestotemperatureandtime:implicationsforthermalgoalsoftreatment.IntJRadiatOncolBiolPhys25:289-297,1993. Kapp,D.S.,andCox,R.S.Thermaltreatmentparametersaremostpredictiveofoutcomeinpatientswithsingletumornodulespertreatmentfieldinrecurrentadenocarcinomaofthebreast.IntJRadiatOncolBiolPhys33:887-899,1995. Engin,K.,Leeper,D.B.,Tupchong,L.,andWaterman,F.M.Thermoradiotherapyinthemanagementofsuperficialmalignanttumors.ClinCancerRes1:139-145,1995. Leopold,K.A.,Dewhirst,M.W.,Samulski,T.V.,Dodge,R.K.,George,S.L.,Blivin,J.L.,Prosnitz,L.R.,andOleson,J.R.CumulativeminuteswithT90greaterthanTempindexispredictiveofresponseofsuperficialmalignanciestohyperthermiaandradiation.IntJRadiatOncolBiolPhys25:841-847,1993. Delannoy,J.,LeBihan,D.,Hoult,D.I.,andLevin,R.L.Hyperthermiasystemcombinedwithamagneticresonanceimagingunit.MedPhys17:855-860,1990.23.Fajardo,L.F.Pathologicaleffectsofhyperthermiainnormaltissues.CancerRes44:4826s-4835s,1984. Wondergem,J.,Haveman,J.,Rusman,V.,Sminia,P.,andVanDijk,J.D.Effectsoflocalhyperthermiaonthemotorfunctionoftheratsciaticnerve.IntJRadiatBiolRelatStudPhysChemMed53:429-438,1988. Fenn,A.J.,Wolf,G.L.,andFogle,R.M.Anadaptivemicrowavephasedarrayfortargetedheatingofdeeptumoursinintactbreast:animalstudyresults.IntJHyperthermia15:45-61,1999. Hamazoe,R.,Maeta,M.,andKaibara,N.Intraperitonealthermochemotherapyforpreventionofperitonealrecurrenceofgastriccancer.Finalresultsofarandomizedcontrolledstudy.Cancer73:2048-2052,1994. Zanon,C.,Clara,R.,Bortolini,M.,Malossi,A.,Moscato,R.,Celoria,P.,deAndrea,M.,Rizzo,M.,Chiappino,I.,GraziaSciuto,M.,andMussa,A.Chemohyperthermiaforadvancedabdominalmalignancies:anewprocedurewithclosedabdomenandpreviouslyperformedanastomosis.IntJHyperthermia17:456-464,2001. Yonemura,Y.,deAretxabala,X.,Fujimura,T.,Fushida,S.,Katayama,K.,Bandou,E.,Sugiyama,K.,Kawamura,T.,Kinoshita,K.,Endou,Y.,andSasaki,T.Intraoperativechemohyperthermicperitonealperfusionasanadjuvanttogastriccancer:finalresultsofarandomizedcontrolledstudy.Hepatogastroenterology48:1776-1782,2001. Yonemura,Y.,Fujimura,T.,Nishimura,G.,FallaR,Sawa,T.,Katayama,K.,Tsugawa,K.,Fushida,S.,Miyazaki,I.,Tanaka,M.,Endou,Y.,andSasaki,T.Effectsofintraoperativechemohyperthermiainpatientswithgastriccancerwithperitonealdissemination.Surgery119:437-444,1996. Yonemura,Y.,Fujimura,T.,Fushida,S.,Takegawa,S.,Kamata,T.,Katayama,K.,Kosaka,T.,Yamaguchi,A.,Miwa,K.,andMiyazaki,I.Hyperthermo-chemotherapycombinedwithcytoreductivesurgeryforthetreatmentofgastriccancerwithperitonealdissemination.WorldJSurg15:530-535;discussion535-536,1991.
Recently, various minimally invasive therapies are available for cancer treatment, and hyperthermia is one of these therapies. However, such therapy alone is not always effective for all carcinomas and requires multidisciplinary treatment. Hyperthermia is used to enhance the effects of radiation therapy or chemotherapy (Non-patent Document 1). In randomized controlled trials, hyperthermia has been reported as an effective cancer treatment in combination with radiotherapy or chemotherapy (Non-patent document 2) (Non-patent document 3) (Non-patent document 4) (Non-patent document) Reference 5) (Non-Patent Document 6). Warming techniques and temperature monitoring are the main challenges of this treatment. It is very difficult to accurately measure in-vivo thermometry. The temperature distribution in a living body is generally non-uniform and unpredictable. However, temperature monitoring during hyperthermia is essential for clinical accuracy and safety. It is also important to measure the temperature of the surrounding area to avoid unpredictable hot spots as well as the area of interest, which may cause serious side effects. There are two types of temperature measurement methods, invasive and non-invasive temperature measurement methods. Invasive temperature measurements (temperature probes are inserted into tissue) can cause many problems. Accurate insertion of the sensor into the target site is difficult and probe insertion is invasive to the patient. In addition, insertion may cause tumor bleeding or dissemination (Non-patent document 7) (Non-patent document 8). Furthermore, it is almost impossible to obtain temperature information at many points by invasive temperature measurement. With one or a few limited points of temperature information, the planning of individual treatments is difficult.
Magnetic resonance (MR) temperature images are promising as a non-invasive temperature measurement method. Non-invasive MR temperature images can show temperature changes on 2-dimensional images. There are several methods for temperature monitoring in MR (Non-patent Document 9). This is a method using spin lattice relaxation time (T1), diffusion coefficient, proton resonance frequency (PRF) of tissue water and spectroscopy imaging. The most suitable method for MR temperature monitoring during hyperthermia is the PRF method because it is quantitative, sensitive and accurate (Non-Patent Document 10). We previously developed MR-guided microwave thermocoagulation treatment for liver tumors with an open MR system of 0.5T (Non-Patent Document 11) (Non-Patent Document 12) (Non-Patent Document 13) ( Non-patent document 14). Microwave irradiation did not affect MR images, and the therapeutic effect could be monitored with real-time MR temperature images. MR images and microwaves were found to be compatible.
van der Zee, J. Heating the patient: a promising approach? Ann Oncol 13: 1173-1184, 2002. Overgaard, J., Gonzalez Gonzalez, D., Hulshof, MC, Arcangeli, G., Dahl, O., Mella, O., and Bentzen, SM Randomised trial of hyperthermia as adjuvant to radiotherapy for recurrent or metastatic malignant melanoma. Society for Hyperthermic Oncology. Lancet 345: 540-543, 1995. van der Zee, J., Gonzalez Gonzalez, D., van Rhoon, GC, van Dijk, JD, van Putten, WL, and Hart, AA Comparison of radiotherapy alone with radiotherapy plus hyperthermia in locally advanced pelvic tumours: a prospective, randomised , multicentre trial. Dutch Deep Hyperthermia Group. Lancet 355: 1119-1125, 2000. Vernon, CC, Hand, JW, Field, SB, Machin, D., Whaley, JB, van der Zee, J., van Putten, WL, van Rhoon, GC, van Dijk, JD, Gonzalez Gonzalez, D., Liu , FF, Goodman, P., and Sherar, M. Radiotherapy with or without hyperthermia in the treatment of superficial localized breast cancer: results from five randomized controlled trials.International Collaborative Hyperthermia Group.Int J Radiat Oncol Biol Phys 35: 731-744 , 1996. Sneed, PK, Stauffer, PR, McDermott, MW, Diederich, CJ, Lamborn, KR, Prados, MD, Chang, S., Weaver, KA, Spry, L., Malec, MK, Lamb, SA, Voss, B. , Davis, RL, Wara, WM, Larson, DA, Phillips, TL, and Gutin, PH Survival benefit of hyperthermia in a prospective randomized trial of brachytherapy boost +/- hyperthermia for glioblastoma multiforme.Int J Radiat Oncol Biol Phys 40: 287 -295, 1998. Kitamura, K., Kuwano, H., Watanabe, M., Nozoe, T., Yasuda, M., Sumiyoshi, K., Saku, M., and Sugimachi, K. Prospective randomized study of hyperthermia combined with chemoradiotherapy for esophageal carcinoma. J Surg Oncol 60: 55-58, 1995. Kato, H., Koyama, T., Nikawa, Y., and Saito, M. Research and development of hyperthermia machines for present and future clinical needs.Int J Hyperthermia 14: 1-11, 1998. Wust, P., Gellermann, J., Harder, C., Tilly, W., Rau, B., Dinges, S., Schlag, P., Budach, V., and Felix, R. Rationale for using invasive thermometry for regional hyperthermia of pelvic tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys 41: 1129-1137, 1998. Quesson, B., de Zwart, JA, and Moonen, CT Magnetic resonance temperature imaging for guidance of thermotherapy. J Magn Reson Imaging 12: 525-533, 2000. Wlodarczyk, W., Hentschel, M., Wust, P., Noeske, R., Hosten, N., Rinneberg, H., and Felix, R. Comparison of four magnetic resonance methods for mapping small temperature changes.Phys Med Biol 44: 607-624, 1999. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., Naka, S., Sato, K., Tani, T., Yamamoto, I., and Fujimura, M. MR-guided microwave thermocoagulation therapy of liver tumors: initial clinical experiences using a 0.5 T open MR system.J Magn Reson Imaging 16: 576-583, 2002. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., Naka, S., Sato, K., Tani, T., Haque, HA, Tokuda, J., and Hata, N. New assistive devices for MR- guided microwave thermocoagulation of liver tumors. Acad Radiol 10: 180-188, 2003. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., Naka, S., Sato, K., Demura, K., Tani, T., Haque, HA, Tokuda, J., and Hata, N. Advanced computer assistance for magnetic resonance-guided microwave thermocoagulation of liver tumors.Acad Radiol 10: 1442-1449, 2003. Abe, H., Kurumi, Y., Naka, S., Shiomi, H., Umeda, T., Naitoh, H., Endo, Y., Hanasawa, K., Morikawa, S., and Tani, T. Open-configuration MR-guided microwave thermocoagulation therapy for metastatic liver tumors from breast cancer.Breast Cancer 12: 26-31, 2005. Peters, RD, Hinks, RS, and Henkelman, RMExvivotissue-typeindependenceinproton-resonancefrequencyshift MRthermometry.MagnResonMed40: 454-459,1998. Bland, JM, andAltman, DGStatisticalmethodsforassessingagreementbetweentwomethodsofclinicalmeasurement.Lancet1: 307-310,1986. Morikawa, S., Inubushi, T., Kurumi, Y., andNaka, S. FesibilityofmicrowaveablationforMR-Guidedinterstitialthermaltherapy: anexperimentalstudyusing2TMRsystem.JpnJMagnResonMed21: 79-84,2001. Oleson, JR, Samulski, TV, Leopold, KA, Clegg, ST, Dewhirst, MW, Dodge, RK, andGeorge, SLSensitivityofhyperthermiatrialoutcomestotemperatureandtime: implicationsforthermalgoalsoftreatment.IntJRadiatOncolBiolPhys25: 289-297,1993. Kapp, DS, andCox, RSThermaltreatmentparametersaremostpredictiveofoutcomeinpatientswithsingletumornodulespertreatmentfieldinrecurrentadenocarcinomaofthebreast.IntJRadiatOncolBiolPhys33: 887-899,1995. Engin, K., Leeper, DB, Tupchong, L., andWaterman, FMThermoradiotherapyinthemanagementofsuperficialmalignanttumors.ClinCancerRes1: 139-145,1995. Leopold, KA, Dewhirst, MW, Samulski, TV, Dodge, RK, George, SL, Blivin, JL, Prosnitz, LR, andOleson, JRCumulativeminuteswithT90greaterthanTempindexispredictiveofresponseofsuperficialmalignanciestohyperthermiaandradiation.IntJPhysiat. Delannoy, J., LeBihan, D., Hoult, DI, andLevin, RLHyperthermiasystemcombinedwithamagneticresonanceimagingunit.MedPhys17: 855-860,1990.23.Fajardo, LFPathologicaleffectsofhyperthermiainnormaltissues.CancerRes44: 4826s-4835s, 1984. Wondergem, J., Haveman, J., Rusman, V., Sminia, P., andVanDijk, JDEffectsoflocalhyperthermiaonthemotorfunctionoftheratsciaticnerve.IntJRadiatBiolRelatStudPhysChemMed53: 429-438,1988. Fenn, AJ, Wolf, GL, andFogle, RMAnadaptivemicrowavephasedarrayfortargetedheatingofdeeptumoursinintactbreast: animalstudyresults.IntJHyperthermia15: 45-61,1999. Hamazoe, R., Maeta, M., andKaibara, N. Intraperitonealthermochemotherapyforpreventionofperitonealrecurrenceofgastriccancer.Finalresultsofarandomizedcontrolledstudy.Cancer73: 2048-2052,1994. Zanon, C., Clara, R., Bortolini, M., Malossi, A., Moscato, R., Celoria, P., deAndrea, M., Rizzo, M., Chiappino, I., GraziaSciuto, M., andMussa, A.Chemohyperthermiaforadvancedabdominalmalignancies: anewprocedurewithclosedabdomenandpreviouslyperformedanastomosis.IntJHyperthermia17: 456-464,2001. Yonemura, Y., deAretxabala, X., Fujimura, T., Fushida, S., Katayama, K., Bandou, E., Sugiyama, K., Kawamura, T., Kinoshita, K., Endou, Y., andSasaki, T.Intraoperativechemohyperthermicperitonealperfusionasanadjuvanttogastriccancer: finalresultsofarandomizedcontrolledstudy.Hepatogastroenterology 48: 1776-1782,2001. Yonemura, Y., Fujimura, T., Nishimura, G., FallaR, Sawa, T., Katayama, K., Tsugawa, K., Fushida, S., Miyazaki, I., Tanaka, M., Endou, Y ., andSasaki, T.Effectsofintraoperativechemohyperthermiainpatientswithgastriccancerwithperitonealdissemination.Surgery119: 437-444,1996. Yonemura, Y., Fujimura, T., Fushida, S., Takegawa, S., Kamata, T., Katayama, K., Kosaka, T., Yamaguchi, A., Miwa, K., andMiyazaki, I.Hyperthermo -chemotherapycombinedwithcytoreductivesurgeryforthetreatmentofgastriccancerwithperitonealdissemination.WorldJSurg15: 530-535; discussion535-536,1991.

温熱療法は癌における集学的治療の一つとして、用いられてきた。そして、無作為化された、比較試験において、温熱療法は効果的な癌治療であることを確認した。しかしながら、臨床の正確性および安全性のためには、治療中の温度モニタリングは不可欠である。我々は、その効果と安全性を改善するために、空間的リアルタイム温度モニタリングを使った簡便なマイクロ波温熱治療システムを開発した。   Hyperthermia has been used as one of the multidisciplinary treatments in cancer. And in a randomized controlled trial, it was confirmed that hyperthermia is an effective cancer treatment. However, temperature monitoring during treatment is essential for clinical accuracy and safety. We have developed a simple microwave thermotherapy system using spatial real-time temperature monitoring to improve its efficacy and safety.

MR対応の照射型マイクロ波アプリケータを使い、寒天ファントム、ウサギの大腿筋肉およびウサギの皮下VX2腫瘍に対して、非侵襲性のMR温度画像を利用して加熱した。MR温度計算については、プロトン共鳴周波数を用いた位相差法を使用した。温度係数の決定、およびMR温度測定の正確性の評価の後、時間経過によるマイクロ波加熱によるの温度分布を各対象について検討した。ファントム、ウサギ筋肉およびVX2腫瘍の温度係数は、それぞれ-0.00977、-0.00976および-0.01027ppm/℃であった。3つの対象におけるMRと光学温度計の95%信頼区間は、それぞれ+0.318℃/0.339℃、+0.693℃/0.661℃および+0.564℃/0.526℃であった。VX2腫瘍に関して、平均腫瘍温度は42.60℃±0.14℃であった。また、皮膚の表面は60分の実験において43.27℃±0.45℃であった。   An MR microwave irradiation applicator was used to heat agar phantoms, rabbit thigh muscles and rabbit subcutaneous VX2 tumors using non-invasive MR temperature images. For the MR temperature calculation, the phase difference method using the proton resonance frequency was used. After determining the temperature coefficient and evaluating the accuracy of MR temperature measurement, the temperature distribution by microwave heating over time was examined for each subject. The temperature coefficients for phantom, rabbit muscle, and VX2 tumors were -0.00977, -0.00976, and -0.01027 ppm / ° C, respectively. The 95% confidence intervals for MR and optical thermometers in the three subjects were + 0.318 ° C / 0.339 ° C, + 0.693 ° C / 0.661 ° C, and + 0.564 ° C / 0.526 ° C, respectively. For VX2 tumors, the average tumor temperature was 42.60 ° C. ± 0.14 ° C. The skin surface was 43.27 ± 0.45 ° C. in the 60-minute experiment.

この使用簡便なマイクロ波温熱治療システムで、効果的な温熱治療が、ファントム及び生動物で、MR温度画像を利用して施行された。   With this easy-to-use microwave thermotherapy system, effective thermotherapy was performed in phantoms and live animals using MR temperature images.

本発明は、悪性腫瘍の温熱療法装置システムである。本発明の特徴は、悪性腫瘍の温熱療法を行うための加熱装置と加熱による温度変化をモニタリングする装置を合体したことにある。加熱による温度変化をモニタリングする装置は、温度増加をMR温度画像で検知することが可能な手段を含み、磁場の強さは、0.5〜9T、好ましくは1.5〜9T、より好ましくは6〜9Tの静磁場強度を備えた装置である。これにより42-43℃での温熱療法のモニタリングを可能にした。加熱は、マイクロ波ジェネレーターでマイクロ波を照射して行う。0.4〜3GHz、好ましくは1.0〜2.8GHz、より好ましくは1.5〜2.5GHzのマイクロ波ジェネレーターでマイクロ波を照射する。照射は、連続的に行うのではなく、断続的に行う。これにより、目標領域を目標とされたレベルの温度にコントロールすることが達成可能である。断続的に加温するために、電源スイッチを断続的にオン&オフを繰り返えす機能をマイクロ波ジェネレーターは担持する。   The present invention is a thermotherapy apparatus system for malignant tumors. A feature of the present invention resides in that a heating device for performing thermotherapy of a malignant tumor and a device for monitoring a temperature change due to heating are combined. The apparatus for monitoring temperature changes due to heating includes means capable of detecting temperature increase with MR temperature images, and the strength of the magnetic field is 0.5-9T, preferably 1.5-9T, more preferably 6-9T. It is a device with a static magnetic field strength. This allowed monitoring of hyperthermia at 42-43 ° C. Heating is performed by irradiating microwaves with a microwave generator. The microwave is irradiated with a microwave generator of 0.4 to 3 GHz, preferably 1.0 to 2.8 GHz, more preferably 1.5 to 2.5 GHz. Irradiation is not performed continuously but intermittently. This makes it possible to control the target area to a targeted level of temperature. In order to heat intermittently, the microwave generator has a function of repeatedly turning the power switch on and off intermittently.

材料と方法
対象
実験のプロトコルは、滋賀医科大学動物実験委員会によって検討され承認された。ファントム実験において、寒天ファントム(120×120×50mm3)は、2%の寒天、0.25mMGd-DTPA、0.9%NaClおよび0.05%NaN3で調製された。動物実験において、10羽のオスのNew Zealand White rabbitsが利用された。6羽のウサギに対し、0.4mLリン酸緩衝液溶液中5.0×106VX2腫瘍細胞を、大腿に皮下注射した。腫瘍は、2週間で直径10-20mmまで成長した。寒天ファントム、未処理ウサギ大腿筋肉、及び大腿皮下腫瘍腫瘍が、実験に使用された。温度係数値を決定、かつMR温度画像の正確さを評価するために、各グループ(大腿筋肉および皮下腫瘍)で一匹の動物が使用された。また、他の動物はマイクロ波温熱治療中に温度分布の検討に使用された。
Materials and Methods Subject The experimental protocol was reviewed and approved by the Shiga Medical University Animal Experiment Committee. In the phantom experiment, an agar phantom (120 × 120 × 50 mm 3 ) was prepared with 2% agar, 0.25 mM Gd-DTPA, 0.9% NaCl and 0.05% NaN 3 . Ten male New Zealand White rabbits were used in animal experiments. Six rabbits were injected subcutaneously in the thigh with 5.0 × 10 6 VX2 tumor cells in 0.4 mL phosphate buffer solution. The tumor grew to a diameter of 10-20 mm in 2 weeks. An agar phantom, untreated rabbit femoral muscle, and subcutaneous femoral tumor were used in the experiment. One animal was used in each group (femoral muscle and subcutaneous tumor) to determine temperature coefficient values and to assess the accuracy of MR temperature images. Other animals were also used to study temperature distribution during microwave thermotherapy.

装置の調製
2種類のMR-対応照射タイプのマイクロ波アプリケータは非磁性体を使用して作成した。通常では、100×100×70mm3反射板(ダイポールタイプ(図1A))の中に半波長(60mm)の双極アンテナをセットされたものを使用した。アンテナと反射器の間の距離は定在波比(SWR)を最小化するために最適化された。局所的な小さな領域を温熱化するためには、60×90mm2のスロット・アンテナを備えたアプリケータ(スロット・タイプ(図1B))を作成した。アプリケータは、長さ4mの同軸ケーブルを用いMR室の隣に設置した0.4〜3GHz(2.45)GHzのマイクロ波ジェネレーターMicrotazeOT110M(AlfresaPharma、大阪(日本))に接続された(非特許文献11)。このマイクロ波ジェネレーターは、連続的および間欠モードで利用可能である。間欠モードでは、2秒の電源オンおよび2秒の電源オフが、交互に繰り返される。温熱治療のためには、通常、60-110Wの出力で間欠的に適用された。対象の絶対温度を測定するために、光学温度計、モデル3100(Luxtron、サンタクララ(CA))が使用された。直径0.3mmの温度計が20Gのテフロン(登録商標)針によって刺入された。40cmの開口径をもつ超伝導電磁石〔0.5〜9T/400mm(7.0T/400mm)の/SS(JASTEC、神戸(日本))〕と、0.5〜9T(7.0T)のMRスキャナー〔UnityInova(バリアン(パロアルト(CA)))〕を用い、グラディエントエコー・シーケンスを用いたMRデータを収集した。相対的な温度変化は温度依存性の水の信号のケミカルシフトから計算される(非特許文献9)。グラディエントエコーを用いると、echo時間の間に位相差によって生じるケミカルシフトが生じる。
温度係数αは、約-0.01ppm/℃であると報告されているが、対象に依存して変わりうる(非特許文献15)。寒天ファントム、ウサギ大腿筋肉および皮下の腫瘍に対する温度係数(α)の値は、光学温度計での温度、およびサーマル・プローブのまわりの5×5ピクセル中の1HMR信号の平均の位相シフトと比較することにより個々に決定された。2つの値のピアソンの積率相関係数によって評価された。個々の温度係数で、MR温度画像は計算された。光学温度計のMR温度画像への95%信頼区間は、Bland-Altman plotで平均±1.96SDと定義された(非特許文献16)。
Equipment preparation
Two types of MR-compatible irradiation type microwave applicators were made using non-magnetic materials. Normally, a 100 x 100 x 70 mm 3 reflector (dipole type (Fig. 1A)) with a half-wave (60 mm) dipole antenna set was used. The distance between antenna and reflector was optimized to minimize the standing wave ratio (SWR). In order to heat a small local area, an applicator (slot type (FIG. 1B)) with a 60 × 90 mm 2 slot antenna was created. The applicator was connected to a 0.4 to 3 GHz (2.45) GHz microwave generator MicrotazeOT110M (AlfresaPharma, Osaka, Japan) using a coaxial cable having a length of 4 m (Non-patent Document 11). This microwave generator is available in continuous and intermittent modes. In the intermittent mode, power on for 2 seconds and power off for 2 seconds are repeated alternately. For thermotherapy, it was usually applied intermittently with a power of 60-110W. An optical thermometer, model 3100 (Luxtron, Santa Clara (CA)) was used to measure the absolute temperature of the subject. A 0.3 mm diameter thermometer was inserted with a 20G Teflon needle. Superconducting electromagnet with an opening diameter of 40cm (0.5-9T / 400mm (7.0T / 400mm) / SS (JASTEC, Kobe (Japan))) and 0.5-9T (7.0T) MR scanner [UnityInova (Varian ( MR data using a gradient echo sequence was collected using Palo Alto (CA))). The relative temperature change is calculated from the chemical shift of the temperature-dependent water signal (Non-Patent Document 9). When gradient echo is used, a chemical shift caused by the phase difference occurs during the echo time.
The temperature coefficient α is reported to be about −0.01 ppm / ° C., but can vary depending on the subject (Non-patent Document 15). Temperature coefficient (α) values for agar phantoms, rabbit thigh muscles and subcutaneous tumors are compared to the temperature on the optical thermometer and the average phase shift of the 1HMR signal in 5 × 5 pixels around the thermal probe It was determined individually. Two values were evaluated by Pearson's product moment correlation coefficient. With individual temperature coefficients, MR temperature images were calculated. The 95% confidence interval for the MR temperature image of the optical thermometer was defined as an average of ± 1.96 SD in the Bland-Altman plot (Non-patent Document 16).

ファントム実験
ダイポールタイプ・マイクロ波アプリケータは、磁石中の寒天ファントムに設置された。ファントムのグラディエントエコー・イメージは、20ミリセカンドの繰り返し時間(TR)、8ミリセカンドのエコー時間(TE)、20°フリップ角および3mmのスライス厚さ、視界域150×150mm2(FOV)、128×128マトリックスおよび積算回数1回で得られた。1つのイメージの所要時間はデータの保存のための時間を含め4.8秒であった。温度増加は寒天ファントムのα値を使い計算され、リアルタイムMR温度画像は、外部コンピューターに表示された。ベース・ライン温度(室温)は体温(36.5℃)より低かったが、深さ10mmのエリアでの温度増加は5.5℃から6.5℃までの範囲でコントロールされた。それは動物の42-43℃に相当する。我々は、マイクロ波ジェネレーターの電源スイッチのオン&オフの時期を決めるためにMR温度画像を参照した。
Phantom Experiment A dipole-type microwave applicator was installed in an agar phantom in a magnet. Phantom's gradient echo image shows 20 ms repetition time (TR), 8 ms echo time (TE), 20 ° flip angle and 3 mm slice thickness, field of view 150 x 150 mm 2 (FOV), 128 Obtained with × 128 matrix and 1 integration. The time required for one image was 4.8 seconds including the time for data storage. The temperature increase was calculated using the α value of the agar phantom, and the real-time MR temperature image was displayed on an external computer. Baseline temperature (room temperature) was lower than body temperature (36.5 ° C), but the temperature increase in the 10 mm depth area was controlled in the range of 5.5 ° C to 6.5 ° C. That corresponds to 42-43 ° C for animals. We referred to the MR temperature image to determine when to turn the microwave generator power switch on and off.

未処理大腿筋肉に関する動物実験
動物は、自発呼吸を保ったまま、フェースマスクによって、50%O2および50%N2の3%isofluraneで麻酔処置をした。ウサギの大腿の毛を剃った。温度計は体表面からの深さ10mmの領域へ刺入された。ダイポールタイプ・マイクロ波アプリケータは大腿に設置された。体温を維持するために、他の身体各部は毛布で覆った。ウサギ大腿筋肉のグラディエントエコー・イメージは、20ミリセカンドのTR、8ミリセカンドのTE、20°フリップ角、3mmのスライス厚さ、200×200mm2FOV、256×256マトリックスおよび積算回数1回で得られた。1つのイメージの所要時間はデータの保存のための時間を含み8.2秒であった。温度は、ファントム実験と同様に、筋肉のα値を使い計算された。目標の温度増加は、温度計によるベースライン絶対温度から、42-43℃の差から決定された。マイクロ波ジェネレーターは、MR温度画像中の深さ10mmのエリアでの温度増加を参照することにより調節された。
Animal Experiments on Untreated Thigh Muscle Animals were anesthetized with 3% isoflurane of 50% O 2 and 50% N 2 with a face mask while maintaining spontaneous breathing. The rabbit's thigh hair was shaved. The thermometer was inserted into an area 10 mm deep from the body surface. A dipole type microwave applicator was installed on the thigh. Other body parts were covered with a blanket to maintain body temperature. Gradient echo images of rabbit thigh muscles were obtained with 20 ms TR, 8 ms TE, 20 ° flip angle, 3 mm slice thickness, 200 x 200 mm 2 FOV, 256 x 256 matrix and 1 integration. It was. The time required for one image was 8.2 seconds including the time for data storage. The temperature was calculated using the muscle alpha value, as in the phantom experiment. The target temperature increase was determined from the difference of 42-43 ° C from the baseline absolute temperature with a thermometer. The microwave generator was adjusted by referring to the temperature increase in the 10 mm deep area in the MR temperature image.

皮下注入のVX2腫瘍に関する動物実験
動物は未処置大腿筋肉の実験と同様に準備された。本実験では、スロット・タイプ・アプリケータは局所的な腫瘍領域だけを熱するために使用された。光学温度計は腫瘍の中心に刺入された。腫瘍の1HMR信号レベルが、大腿筋肉での獲得パラメーターのように低かったので、腫瘍のグラディエントエコー・イメージは、40ミリセカンドのTR、6ミリセカンドのTE、40°フリップ角、3mmのスライス厚さ、150×150mm2FOV、128×128マトリックスおよび積算回数2回で得られた。1つのイメージの獲得時間はデータの保存のための時間を含み12.5秒であった。マイクロ波ジェネレーターは、MR温度画像中の腫瘍での温度増加を参照することによりコントロールされた。他の実験条件は未処置大腿筋肉用のものと同じであった。
Animal experiments on subcutaneously injected VX2 tumors Animals were prepared as in the untreated femoral muscle experiments. In this experiment, a slot type applicator was used to heat only the local tumor area. An optical thermometer was inserted into the center of the tumor. Since the tumor's 1 HMR signal level was as low as the acquired parameters in the thigh muscle, the tumor's gradient echo image was 40 ms TR, 6 ms TE, 40 ° flip angle, 3 mm slice thickness It was obtained with 150 × 150 mm 2 FOV, 128 × 128 matrix and 2 integrations. The acquisition time of one image was 12.5 seconds including the time for data storage. The microwave generator was controlled by referring to the temperature increase at the tumor in the MR temperature image. Other experimental conditions were the same as for untreated femoral muscle.

結果
ファントム実験
マイクロ波放射中に、MRイメージにはノイズは出現しなかった。光学温度計で測定された温度変化とグラディエントエコー・イメージの位相シフトの関係は、図2Aで示した。2つの値の間の相関性は良かった(相関係数(r)=0.997、P<0.0001)。また、回帰直線の傾斜は8ミリセカンドのTEで、-8.444°位相シフト/℃であり、それは温度係数、α、-0.00977ppm/℃に相当した。このα値を使用して計算されたMR温度画像による温度増加を、光学温度計による温度増加と比較した。2つの測定方法のBland-Altman plotsを図2Bに示した。2つの測定法の平均誤差は-0.0106±0.168℃(平均±SD)であり、また、95%信頼区間は+0.318/‐0.339℃であった。Bland-Altman plotsは、典型的な系統的なバイアスのパターンにはあてはまらなかった。
MR温度画像の正確さおよび信頼度の評価の後、ダイポールタイプ・マイクロ波アプリケータによるマイクロ波加熱の様々な条件を検討した。最初に、ファントムは連続モードの中で110Wで加熱された。表面は速く加熱されたが、深い部分は加熱されなかった。深さ10mmのエリアの温度増加が5.5-6.5℃で維持された時、表面は15℃以上で加熱された。また、深さ20mmのエリアは3℃未満に加熱された。その後、出力パワーは連続モードで30Wにまで減少させた。しかし、表面の最高温度増加は、なお11℃であった。60Wの間欠モードでは、深さ10mmのエリアで目標温度に達するのにおよそ10分必要であった。しかし、表面での温度は8℃以内に抑えられた。また、深さ20mmのエリアは4℃以上であった。この条件を使用して、加熱した寒天ファントムのMR温度画像は、図3に示した。目標領域から温度差が1℃未満の領域は、横断方向で約60mmおよび垂直方向に約20mmであった。加熱中心のまわりで、放射状に1℃単位で広がる温度の空間分布が、明白に示された。
Results Phantom Experiment No noise appeared in the MR image during microwave radiation. The relationship between the temperature change measured by the optical thermometer and the phase shift of the gradient echo image is shown in FIG. 2A. The correlation between the two values was good (correlation coefficient (r) = 0.997, P <0.0001). The slope of the regression line was 8 ms TE, -8.444 ° phase shift / ° C, corresponding to the temperature coefficient, α, -0.00977 ppm / ° C. The temperature increase from the MR temperature image calculated using this α value was compared with the temperature increase from the optical thermometer. Bland-Altman plots of the two measurement methods are shown in FIG. 2B. The average error of the two methods was -0.0106 ± 0.168 ° C (mean ± SD) and the 95% confidence interval was + 0.318 / -0.339 ° C. Bland-Altman plots did not fit the typical systematic bias pattern.
After evaluating the accuracy and reliability of MR temperature images, various conditions of microwave heating using a dipole-type microwave applicator were studied. Initially, the phantom was heated at 110W in continuous mode. The surface was heated quickly, but the deep part was not heated. When the temperature increase in the 10 mm deep area was maintained at 5.5-6.5 ° C, the surface was heated above 15 ° C. The 20mm deep area was heated to less than 3 ° C. After that, the output power was reduced to 30W in continuous mode. However, the maximum surface temperature increase was still 11 ° C. In 60W intermittent mode, it took about 10 minutes to reach the target temperature in an area of 10mm depth. However, the temperature at the surface was kept within 8 ° C. Moreover, the area of 20 mm depth was 4 ° C or higher. An MR temperature image of the heated agar phantom using this condition is shown in FIG. The region where the temperature difference from the target region was less than 1 ° C. was about 60 mm in the transverse direction and about 20 mm in the vertical direction. The spatial distribution of the temperature spreading around 1 ° C radially around the heating center was clearly shown.

未処置大腿筋肉に関する動物実験
ファントム実験の結果と同様に、光学温度計で測定された温度変化とグラディエントエコー・イメージの位相シフト間の関係を、未処置ウサギ大腿筋肉で検討した(図2C)。2つの間の相関性は重要であった(r=0.966、P<0.0001)。また、回帰直線の傾斜は8ミリセカンドのTEで-8.435°位相シフト/℃であった。それは温度係数、α、-0.00976ppm/℃に相当した。このα値を使用する温度計算の結果は、Bland-Altman plot(図2D)を使用する、光学温度計による値と比較した。2つの測定での平均差は+0.0160±0.345℃であった。95%信頼区間は+0.693/‐0.661℃であった。大腿筋肉は間欠モードを使用して、80Wで加熱された。大腿筋肉の代表的な温度画像は図4に示した。3匹のウサギを使い、中央の位置の表面、深さ10mmのエリアおよび深さ20mmのエリア、および、中央から20mm離れた表面の温度変化(5分ごとの平均±SD)を図5に示した。深さ10mmのエリアで、42-43℃の目標温度への増加は5分で達成された。表面の温度は、44℃未満で維持され、ほぼ深さ1cmのエリアより1℃高かった。深さ20mmのエリアでの温度は、表面および深さ10mmのエリアの温度が定常状態にあった時でも、徐々に高くなっていった。10mmおよび20mmのエリア間の温度差は、30分間の実験時間の終わりで1℃未満であった。
Animal Experiments on Untreated Thigh Muscle Similar to the results of the phantom experiment, the relationship between the temperature change measured with an optical thermometer and the phase shift of the gradient echo image was examined in the untreated rabbit thigh muscle (FIG. 2C). The correlation between the two was significant (r = 0.966, P <0.0001). The slope of the regression line was -8.435 ° phase shift / ° C at 8 ms TE. It corresponded to a temperature coefficient, α, -0.00976 ppm / ° C. The result of the temperature calculation using this α value was compared with the value obtained with an optical thermometer using the Bland-Altman plot (FIG. 2D). The average difference between the two measurements was + 0.0160 ± 0.345 ° C. The 95% confidence interval was + 0.693 / -0.661 ℃. The thigh muscle was heated at 80W using intermittent mode. A typical temperature image of the thigh muscle is shown in FIG. Figure 5 shows the temperature change (average ± SD every 5 minutes) on the surface at the center, the area of 10 mm depth and the area of 20 mm depth, and the surface 20 mm away from the center using three rabbits. It was. In a 10mm deep area, the increase to the target temperature of 42-43 ° C was achieved in 5 minutes. The surface temperature was maintained below 44 ° C and was about 1 ° C higher than the 1 cm deep area. The temperature in the 20 mm deep area gradually increased even when the surface and the 10 mm deep area were in steady state. The temperature difference between the 10 mm and 20 mm areas was less than 1 ° C. at the end of the 30 minute experimental period.

皮下注入VX2腫瘍に関する動物実験
スロット・タイプ・マイクロ波アプリケータを、皮下VX2腫瘍を加熱するために使用した。光学温度計で測定された温度変化とグラディエントエコー・イメージの位相シフトの間の相関性は良かった(r=0.887、P<0.0001)(図2E)。また、回帰直線の傾斜は6ミリセカンドのTEで-6.658°位相シフト/℃であった。それは温度係数、α、-0.01027ppm/℃に相当した。Bland-Altman plot(図2F)は、2つの測定での平均差が、+0.0192±0.272℃であることを示した。また、95%信頼区間は+0.564/‐0.526℃であった。5羽のウサギの腫瘍に対して、間欠モードを使用して、110Wで加熱された。また、腫瘍の温度は、42-43℃に1時間維持された。加熱の間の代表的な温度画像は、図6に示した。腫瘍の領域だけが選択的に加熱された。1羽のウサギの腫瘍領域と同様に腫瘍の下部及び表面上の温度変化を、図7に示した。腫瘍の大部分の温度は、1時間の実験中、ほぼ目標温度に維持された。5羽のウサギの腫瘍全体の温度評価をするため、様々な温度域での経過時間、そして、目標温度レベルに達した後に、腫瘍の平均、最大、最小温度を表1に要約した。腫瘍の温度は、治療の期間の80%以上の間、42-43℃に維持された。他方、表2に示すように、表面の温度は60分の実験において8.7分間だけ44℃を超過した。皮膚の明らかな熱傷はいずれのウサギでも観察されなかった。
Animal experiments on subcutaneously injected VX2 tumors A slot-type microwave applicator was used to heat subcutaneous VX2 tumors. The correlation between the temperature change measured with an optical thermometer and the phase shift of the gradient echo image was good (r = 0.887, P <0.0001) (FIG. 2E). The slope of the regression line was -6.658 ° phase shift / ° C at 6 ms TE. It corresponded to a temperature coefficient, α, -0.01027 ppm / ° C. A Bland-Altman plot (FIG. 2F) showed that the average difference between the two measurements was + 0.0192 ± 0.272 ° C. The 95% confidence interval was + 0.564 / -0.526 ℃. Five rabbit tumors were heated at 110 W using intermittent mode. Tumor temperature was maintained at 42-43 ° C. for 1 hour. A representative temperature image during heating is shown in FIG. Only the area of the tumor was selectively heated. The temperature change on the lower and upper surface of the tumor as well as the tumor area of one rabbit is shown in FIG. The temperature of most of the tumors was maintained at approximately the target temperature during the 1 hour experiment. Table 1 summarizes the mean, maximum, and minimum temperatures of the tumors after reaching the target temperature level, and the elapsed time in various temperature ranges, to assess the temperature of the entire tumor in five rabbits. Tumor temperature was maintained at 42-43 ° C. for over 80% of the duration of treatment. On the other hand, as shown in Table 2, the surface temperature exceeded 44 ° C. for 8.7 minutes in the 60-minute experiment. No obvious skin burns were observed in any rabbit.

発明の効果
温熱療法中の、小さな温度増加をMR温度画像で検知するために、本検討は0.5〜9T(7T)の静磁場強度をもつMRで実験された。それは臨床のMRスキャナよりもはるかに高い静磁場強度である。7Tにおける1H信号の共鳴周波数は300MHzである。高磁場のシステムは、よい信号対ノイズ比をもつMR信号を得ることができる。また、高い共鳴周波数は温度依存の位相シフトを検知するのに有利である。寒天ファントム、ウサギ大腿筋肉および皮下腫瘍において、光学温度計で測定された温度変化と、グラディエントエコー・イメージの位相シフトは、非常によく相関した。これらの対象の、測定された温度係数価値、α(温度依存の水の化学シフト)は、以前の報告と矛盾のない値であった(非特許文献15)。光学温度計とMR検温の間の95%信頼区間は、Bland-Altman plotによって、それぞれファントム、未処置筋肉および皮下腫瘍において、+0.318/‐0.339℃、+0.693/‐0.661℃および+0.564/‐0.526℃であった。7Tの静磁場での温度測定の正確さおよび信頼度は、42-43℃の温熱療法のモニタリングにおいて十分であった。そして、我々は先の0.5Tでの結果(非特許文献11)(非特許文献13)及び2TMRシステムでの結果(非特許文献17)よりよい結果をえた。しかしながら、生動物での、MR温度画像の正確性は、ファントムでの場合よりわずかに低かった。PRF法でのMR温度計算は様々な要因に影響されるかもしれない。それらの中でも、温度は加温中のイメージとベース・ライン・イメージとの差によって計算されるので、対象物の移動は重要である。本検討では、10℃未満の温度変化は、MR信号の位相シフトのわずかな差から計算された。動物の動きは、イメージ平面での動きだけでなく他の部分の動きでも、イメージ平面上の静磁場に影響するかもしれないので、問題を引き起こす場合がある。
温熱治療中の温度モニタリングは有効で安全な治療を遂行するために必要不可欠な問題である。温熱凝固療法と凍結療法のような他の熱治療手段と異なって、温熱療法は、組織の熱反応を直ちに引き起こさない。医者は意図した反応を見ることができず、重大な副作用を見逃すかもしれない。腫瘍が内部の数点の測定ポイントだけでさえ、より正確に加熱された時、治療結果がよかったことが報告されている(非特許文献8)(非特許文献18)(非特許文献19)(非特許文献20)(非特許文献21)。したがって、腫瘍全体の非侵襲性で信頼できる温度モニタリングは、この治療効果の改善において重要な役割を果たす。加藤ら(非特許文献7)は、±2℃誤差での腫瘍の温度測定は、臨床医が温熱療法の状態をモニターするのに有用であることを報告した。この観点から、MR温度モニタリングは十分にこの治療を支援することができる。
0.4〜3GHz(2.45GHz)のマイクロ波ジェネレーターは、照射中においてさえフィルタあるいは特別な回路を使用せずとも、300MHzで受信したMR画像に影響をあたえなかった。目標とされたレベルに温度をコントロールするために、電源スイッチを断続的にオン&オフを繰り返したが、ノイズはMR画像に現われず、スイッチのオン&オフでイメージを区別できなかった。他方で、温熱治療においてラジオ波(RF)加温は、マイクロ波加熱よりポピュラーである。しかしながら、RF照射は、MR画像に重大な影響を与える。通常RF温熱治療とMR温度測定を同時施行するためには、タイムシェアする回路か周波数フィルタのような装置が必要である(非特許文献22)。マイクロ波加熱はMR温度画像を用いる場合、RF温熱治療より適していると思われた。
我々は、マイクロ波加熱のために2つのタイプのアプリケータを作成した。これらのアプリケータで、深さ10mmのエリアでの温熱治療のための効果的な加熱が得られた。温度は、MR温度画像のモニターにより目標レベルによく維持された。皮膚の熱傷を回避するために皮膚表面の温度をモニターしなければならない。深さ10mmのエリアでの寒天ファントムを、連続モードで、5.5-5.6℃に加熱すると、表面温度は高温になりすぎた。間欠モードを使用すると、表面を加熱しすぎることなく、より深いエリアは加熱することができる。熱は、より深いエリアへ熱分散し、また、マイクロ波放射のオフの間、表面が冷却される。
標準のダイポールタイプ・アプリケータを用いると、大腿筋肉の深さ10mmのエリアを、42-43℃に維持しても、表面温度は44℃以下に維持された。スロット・タイプ・アプリケータでは、直径10-20mmの腫瘍の領域が選択的に加温された。断続的なマイクロ波照射での60分間治療の約45分間の間、腫瘍の温度は約42-43℃に維持された。他方、表面の温度はほとんど44℃以下であった。そして、44℃以上の時間は、60minの治療期間の9分間であった。皮膚を含むほとんどの正常組織は、44℃以下では1h間加温されても損傷を受けない、と報告がある(非特許文献23)。より熱に敏感な神経系に関して、44℃での30分以上の末梢神経の加温(あるいは等価な「加温」)は、一時的な機能障害をおこすが、それは4週間以内に回復する(非特許文献24)。皮膚表面の過剰加熱は、冷却剤によって防止できる。しかし、厚い冷却剤は、深い組織へのマイクロ波による加熱を妨害する。水を循環させると、MR温度測定の正確さを減少させる。気流による冷却は本発明のシステムに有効であるかも知れない(非特許文献25)。
加熱のための我々のマイクロ波アプリケータは従来の温熱療法システムと比較して小さく手軽である。局所的な温熱治療は乳癌などで行なわれてきた。我々は、このシステムを手術時の温熱治療療法に使用する可能性を考慮している。持続温熱腹膜潅流法は、今はいくつかの設備で行なわれている。ほとんどの場合、それは化学療法と併用して使用されている。それは、腹膜播種にはある程度まで有効である(非特許文献26)(非特許文献27)(非特許文献28)。しかし、2mmを超える病変には効果はわずかである(非特許文献29)。循環水の温度はコントロールされるが、組織の実際の温度増加はモニターされていない。腹膜の表面から1あるいは2mmのみのエリアを加熱することはできるかもしれない(非特許文献30)。組織が正確に加熱される場合は、術中温熱治療は遺残腫瘍にも有効かもしれない。マイクロ波加熱では、より多くの水を含んでいる腫瘍細胞は脂肪組織以上に加熱されるので、脂肪組織にうもれている腫瘍細胞に有効かもしれない。さらなる検討は必要であるが、MR温度画像により空間的温度分布をモニターする小型マイクロ波温熱治療システムは、低侵襲治療において有望な治療法になるかもしれない。
Effect of the Invention In order to detect small temperature increases during thermotherapy with MR temperature images, this study was experimented with MR with a static magnetic field strength of 0.5-9T (7T). It has a much higher static magnetic field strength than a clinical MR scanner. The resonance frequency of the 1 H signal at 7T is 300 MHz. High magnetic field systems can obtain MR signals with a good signal-to-noise ratio. Also, a high resonance frequency is advantageous for detecting temperature dependent phase shifts. In agar phantoms, rabbit thigh muscles and subcutaneous tumors, the temperature changes measured with an optical thermometer and the phase shift of the gradient echo image correlated very well. The measured temperature coefficient value, α (temperature-dependent water chemical shift) of these objects was consistent with previous reports (Non-Patent Document 15). The 95% confidence interval between the optical thermometer and MR thermometry was determined by Bland-Altman plot for + 0.318 / -0.339 ° C, + 0.693 / -0.661 ° C and + 0.564 /-, respectively, in phantom, untreated muscle and subcutaneous tumor. It was 0.526 ° C. The accuracy and reliability of temperature measurements in a 7T static magnetic field was sufficient in monitoring thermotherapy at 42-43 ° C. And we obtained better results than the previous 0.5T results (Non-patent document 11) (Non-patent document 13) and 2TMR system (Non-patent document 17). However, the accuracy of MR temperature images in live animals was slightly lower than in phantoms. MR temperature calculation by PRF method may be affected by various factors. Among them, the movement of the object is important because the temperature is calculated by the difference between the warming image and the baseline image. In this study, temperature changes below 10 ° C were calculated from slight differences in the phase shift of the MR signal. Animal movements can cause problems because movements in the image plane as well as other parts may affect the static magnetic field on the image plane.
Temperature monitoring during hyperthermia is an indispensable issue for carrying out effective and safe treatment. Unlike other heat treatment means such as thermocoagulation and cryotherapy, thermotherapy does not immediately cause a tissue thermal response. The doctor may not see the intended reaction and may miss serious side effects. It has been reported that the treatment results were good when the tumor was heated more accurately even with only a few internal measurement points (Non-patent document 8) (Non-patent document 18) (Non-patent document 19). Non-patent document 20) (non-patent document 21). Therefore, non-invasive and reliable temperature monitoring of the entire tumor plays an important role in improving this therapeutic effect. Kato et al. (Non-Patent Document 7) reported that measuring the temperature of a tumor with a ± 2 ° C error is useful for clinicians to monitor the state of thermotherapy. From this point of view, MR temperature monitoring can fully support this treatment.
The 0.4-3 GHz (2.45 GHz) microwave generator did not affect MR images received at 300 MHz without using filters or special circuitry even during irradiation. In order to control the temperature to the target level, the power switch was turned on and off intermittently, but noise did not appear in the MR image, and the image could not be distinguished by turning the switch on and off. On the other hand, radiofrequency (RF) heating is more popular than microwave heating in thermotherapy. However, RF irradiation has a significant effect on MR images. Usually, in order to simultaneously perform RF thermotherapy and MR temperature measurement, a device such as a time-sharing circuit or a frequency filter is required (Non-patent Document 22). Microwave heating appeared to be more suitable than RF thermotherapy when using MR temperature images.
We have created two types of applicators for microwave heating. With these applicators, effective heating for hyperthermia treatment in an area of 10 mm depth was obtained. The temperature was well maintained at the target level by monitoring MR temperature images. The skin surface temperature must be monitored to avoid skin burns. When an agar phantom in an area with a depth of 10 mm was heated to 5.5-5.6 ° C in continuous mode, the surface temperature became too high. Using the intermittent mode, deeper areas can be heated without overheating the surface. The heat is dissipated to deeper areas and the surface is cooled while the microwave radiation is turned off.
When a standard dipole type applicator was used, the surface temperature was maintained at 44 ° C. or lower even when the area of 10 mm deep thigh muscle was maintained at 42-43 ° C. In the slot-type applicator, a 10-20 mm diameter tumor area was selectively warmed. Tumor temperature was maintained at about 42-43 ° C. for about 45 minutes of 60-minute treatment with intermittent microwave irradiation. On the other hand, the surface temperature was almost 44 ° C. or lower. And the time above 44 ° C. was 9 minutes for a treatment period of 60 min. It has been reported that most normal tissues including skin are not damaged even when heated at 44 ° C. or lower for 1 hour (Non-patent Document 23). For more heat-sensitive nervous systems, warming the peripheral nerve for more than 30 minutes at 44 ° C (or equivalent "warming") causes temporary dysfunction, which recovers within 4 weeks ( Non-patent document 24). Overheating of the skin surface can be prevented by a coolant. However, thick coolant interferes with microwave heating to deep tissue. Circulating water reduces the accuracy of MR temperature measurements. Cooling by airflow may be effective for the system of the present invention (Non-patent Document 25).
Our microwave applicator for heating is small and easy compared to conventional thermotherapy systems. Local hyperthermia has been performed in breast cancer and the like. We are considering the possibility of using this system for hyperthermia during surgery. Continuous thermal peritoneal perfusion is now performed in several facilities. In most cases it is used in combination with chemotherapy. It is effective to some extent for peritoneal seeding (Non-patent document 26) (Non-patent document 27) (Non-patent document 28). However, the effect is slight for lesions exceeding 2 mm (Non-patent Document 29). Although the temperature of the circulating water is controlled, the actual increase in tissue temperature is not monitored. It may be possible to heat an area of only 1 or 2 mm from the surface of the peritoneum (Non-patent Document 30). If the tissue is heated accurately, intraoperative hyperthermia may be effective for residual tumors. With microwave heating, tumor cells that contain more water are heated more than adipose tissue, which may be effective for tumor cells that are engulfed in adipose tissue. Although further investigation is needed, a miniature microwave thermotherapy system that monitors spatial temperature distribution with MR temperature images may be a promising therapy in minimally invasive therapy.

MR・互換・放射タイプの・マイクロ波アプリケータ、双極子タイプ(A)およびスロット・タイプ(B)。(A)長さ60mmのダイポールアンテナは反射器に位置する。(B)60×90mmの2スロット・アンテナは反射器で構築した。MR, compatible, radiation type, microwave applicator, dipole type (A) and slot type (B). (A) A 60 mm long dipole antenna is located in the reflector. (B) A 60 x 90 mm 2-slot antenna was constructed with a reflector. 寒天ファントムでの光学温度計で測定された温度変化と、グラディエントエコー・イメージ中の1H信号の位相シフトの間の線形回帰ラインを備えた散布図。Scatter plot with linear regression line between temperature change measured with optical thermometer in agar phantom and phase shift of 1 H signal in gradient echo image. 寒天ファントムでの光学温度計およびMR温度計で測定された温度のBland-Altman plot。Y軸は、2つの方法(MR-光学温度計)間の違いを示す。また、X軸は、2つの中間を示す。平均差は点線で示した。また、95%信頼区間は固体のラインで示した。Bland-Altman plot of temperatures measured with an optical thermometer and MR thermometer in an agar phantom. The Y axis shows the difference between the two methods (MR-optical thermometer). The X axis indicates the middle of the two. The average difference is indicated by a dotted line. The 95% confidence interval is shown as a solid line. ウサギ大腿筋での光学温度計で測定された温度変化と、グラディエントエコー・イメージ中の1H信号の位相シフトの間の線形回帰ラインを備えた散布図。Scatter plot with linear regression line between temperature change measured with optical thermometer in rabbit thigh muscle and phase shift of 1 H signal in gradient echo image. ウサギ大腿筋での光学温度計およびMR温度計で測定された温度のBland-Altman plot。Y軸は、2つの方法(MR-光学温度計)間の違いを示す。また、X軸は、2つの中間を示す。平均差は点線で示した。また、95%信頼区間は固体のラインで示した。Bland-Altman plot of temperature measured with optical thermometer and MR thermometer in rabbit thigh muscle. The Y axis shows the difference between the two methods (MR-optical thermometer). The X axis indicates the middle of the two. The average difference is indicated by a dotted line. The 95% confidence interval is shown as a solid line. 皮下腫瘍での光学温度計で測定された温度変化と、グラディエントエコー・イメージ中の1H信号の位相シフトの間の線形回帰ラインを備えた散布図。Scatter plot with linear regression line between temperature change measured with optical thermometer in subcutaneous tumor and phase shift of 1 H signal in gradient echo image. 皮下腫瘍での光学温度計およびMR温度計で測定された温度のBland-Altman plot。Y軸は、2つの方法(MR-光学温度計)間の違いを示す。また、X軸は、2つの中間を示す。平均差は点線で示した。また、95%信頼区間は固体のラインで示した。Bland-Altman plot of temperatures measured with optical and MR thermometers in subcutaneous tumors. The Y axis shows the difference between the two methods (MR-optical thermometer). The X axis indicates the middle of the two. The average difference is indicated by a dotted line. The 95% confidence interval is shown as a solid line. 双極子タイプ・アプリケータで熱した寒天ファントムの代表的なMR温度画像。温度増加は右側の色分けされた目盛りの中で示した。アローは、アプリケータから熱くなる方向を示す。A typical MR temperature image of an agar phantom heated with a dipole type applicator. The temperature increase is shown in the right color-coded scale. The arrow indicates the direction of heating from the applicator. 寒天ファントムでの実験(マイクロ波出力 110W 連続加温での加温時間と上昇温度の各部位で結果(表面、深部1cm、深部2cm、深部3cm、表面3cm横、表面2cm横)Experiments with an agar phantom (results at each part of heating time and rising temperature with microwave output 110W continuous heating (surface, depth 1 cm, depth 2 cm, depth 3 cm, surface 3 cm side, surface 2 cm side) 寒天ファントムでの実験(マイクロ波出力 30W 連続加温での加温時間と上昇温度の各部位で結果(表面、深部1cm、深部2cm、深部3cm、表面3cm横、表面2cm横)Experiments with an agar phantom (results in each part of heating time and rising temperature with microwave output 30W continuous heating (surface, depth 1 cm, depth 2 cm, depth 3 cm, surface 3 cm side, surface 2 cm side) 寒天ファントムでの実験(マイクロ波出力 60W 間欠加温(2秒オン、2秒オフ)での加温時間と上昇温度の各部位で結果(表面、深部1cm、深部2cm、深部3cm、表面3cm横、表面2cm横)Results (surface, depth 1 cm, depth 2 cm, depth 3 cm, surface 3 cm side) in each part of heating time and rising temperature in an experiment with an agar phantom (microwave output 60W intermittent heating (2 seconds on, 2 seconds off)) , Surface 2cm side) 大腿筋肉の代表的なMR画像および温度画像は双極子タイプ・アプリケータで熱くなった。加熱の温度増加および方向は図3と同様に示した。マイクロ波出力 80W 30分間 間欠加温(2秒オン、2秒オフ)での加温時間と上昇温度の各部位で結果(表面中心、中心深部1cm、中心深部2cm、表面横2cm)Representative MR and temperature images of the thigh muscles were heated with a dipole type applicator. The temperature increase and direction of heating are shown as in FIG. Microwave output 80W 30 minutes Intermittent heating (2 seconds on, 2 seconds off) results in each part of heating time and rising temperature (surface center, center depth 1 cm, center depth 2 cm, surface side 2 cm) 中央の位置の表面(×)、深さ10mm(◆)および深さ(□)20mmのエリア、そして中心(○)から20mm離れた表面の温度の連続変化。3羽のウサギ(A)、(B)、そして(C)について調べた。値は5分ごとに平均±SDで示した。Continuous change in the temperature of the surface at the center position (×), the area of depth 10 mm (◆) and depth (□) 20 mm, and the surface 20 mm away from the center (○). Three rabbits (A), (B), and (C) were examined. Values are shown as mean ± SD every 5 minutes. VX2の皮下の腫瘍の代表的なMR画像および温度画像は、スロット・タイプ・アプリケータで熱くなった。暖房の温度増加および方向は図3と同様に示した。Representative MR and temperature images of VX2 subcutaneous tumors were heated with a slot-type applicator. The temperature increase and direction of heating are shown as in FIG. ウサギの腫瘍(◆)、表面(×)、及びの腫瘍直下(□)の温度の連続変化(表1および2の実験1)。出力パワーは、腫瘍(◆)の温度を42-43℃に維持するようにコントロールされた。Continuous changes in the temperature of the rabbit tumor (♦), surface (×), and directly under the tumor (□) (Experiment 1 in Tables 1 and 2). The output power was controlled to maintain the temperature of the tumor (♦) at 42-43 ° C.

Claims (1)

悪性腫瘍の温熱療法装置システムであって、温度増加をMR温度画像で検知するために、0.5〜9Tの静磁場強度を使い、42-43℃での温熱療法のモニタリングを可能にし、0.4〜3GHzのマイクロ波ジェネレーターでマイクロ波を照射し、目標領域を目標とされたレベルの温度にコントロールするために、電源スイッチを断続的にオン&オフを繰り返えす機能を担持する悪性腫瘍の温熱療法装置システム。 A thermotherapy device system for malignant tumors, using 0.5-9T static magnetic field strength to detect temperature increase with MR temperature images, enabling monitoring of thermotherapy at 42-43 ° C, 0.4-3GHz A hyperthermia device for malignant tumors that has the function of intermittently turning on and off the power switch in order to irradiate the microwave with a microwave generator and control the target area to a target level of temperature. system.
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