JPS6021744B2 - Electromagnetic radiation energy hyperthermia device system and heating application tool for the device system - Google Patents

Electromagnetic radiation energy hyperthermia device system and heating application tool for the device system

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JPS6021744B2
JPS6021744B2 JP3718781A JP3718781A JPS6021744B2 JP S6021744 B2 JPS6021744 B2 JP S6021744B2 JP 3718781 A JP3718781 A JP 3718781A JP 3718781 A JP3718781 A JP 3718781A JP S6021744 B2 JPS6021744 B2 JP S6021744B2
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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(発明の分野) 本発明は、医学的ハイパーサーミア(温熱)の目的で電
磁放射ェネルギで生物学的組織を照射する装置系の分野
、殊にこの種のハイパーサーミア装置(温熱装置)と組
合せた環状の放射ェネルギの温熱適用臭装置に関する。 (発明の背景)人間の癌に対し現在各種の治療処置が普
通に用いられている。 之等の治療は外科、X線又は放射線源からの照射及び化
学療法で、之等の治療は屡屡治療効果を高めるため色々
な方法で組合される。この種の通常の療法技術は多くの
患者の蓮治療や他の多くの患者の生命を延命することに
ついて成功はしているが、多くの種類の癌に対して屡々
効果がないばかりか、常態のことではないとしても所要
治療レベルにおいて極めて逆の途方もない影響がある。 実例としてX線又は化学療法による癌患者に対する長期
にわたる治療処置は、これにより多くの患者が時として
命とりになるというものではないとしても、インフルエ
ンザとか肺炎とかの普通の伝染病に対して弱くなるとい
う程度にまで患者本釆の免疫系統を破壊し、又は抑制し
ようとしている。又進行状態の癌又は余病のある多くの
患者は外科的又は他の癌治療の外傷に耐えるには余りに
も弱過ぎる。それで治療処置を行なえず止めなければな
らない。人間の癌の流行と、典型的にひどい結末と、上
述した目下治療上にある屡々ある無効果により、医学研
究者は組合された治療装置で改良した又は他の癌治療方
法を見出し且つ開発する目論見を絶えず研究している。 長期にわたりハイパーサーミア (hype比he皿ia)即ち人工的に体温を高める温
熱療法は身体上の各種の障害を治療し実際に人体の熱防
御機構を倍加するのに甚だ効果的であることが知れてい
る。 最近ハイパーサーミアは人体の癌治療において単独に、
或いは在来の癖治療と絹合せて研究の主要分野を利用並
びに有効性を可能にさせて来た。この研究はハイパーサ
ーミアの技術が通常の短治療法と組合せて、屡々生ずる
激しい害のある副作用ないこ、多くの種類の、又は大部
分の種類の人間の癌の治療に対して極めて効果的である
という可能性を持つらしいということで重要である。癌
のハイパーサーミアに当る研究者は通常健康の大部分の
細胞には害である温度より僅かに低い温度で悪性瞳賜を
加熱し通常甚だしく悪い副作用ないこ多くの種類の人体
の悪性瞳湯の増殖を熱的に破壊しうろことを適例報告し
ている。 更に側聞するに多くの種類の愚性腫蕩の塊は通常の伝熱
特性又は熱分散特性よりも実質的に弱いことが発見され
たということであり、これは血管が少なくて血液の流れ
が少ない特性のためと推定される。従ってこの種の増殖
は選択的ハイパーサーミア処置が出来ると見られる。血
管の少ない悪性腫湯の増殖は結果として、直援取囲む健
康な組織が達する温度より数度高い温度に加熱されると
いうことである。このことは普通の組織より感熱的でな
いこの種の悪性腫湯の増殖を通常の細胞を破壊せずにハ
イパーサーミア処置することができて、更に高温で少血
管を呈する感熱型の悪性腫湯を少時間ハイパーサーミア
処置しうろことを約束するもので、通常重要な医学的理
由に対し利点がある。この点において研究者は概して大
部分の悪性腫湯の増殖の熱的特性と通常の人体細胞の感
熱性の結果として人間の癌の治療に対するハイパーサー
ミアの温度は比較的狭くて効果的で且つ安全な温度範囲
内に綿密に制限されなければならないと報告している。
約41.5℃という限定温度以下では細胞の大部分の悪
性腫湯の重要な熱破壊は普通生ずるとは発見されなかっ
た。低いハイパーサーミアの温度では、反対に多くの種
類の悪性腫湯の好ましくない増殖が刺激されると信じら
れる。約43qo乃至45qoの範囲内又は以上という
僅かに高いハイパーサーミア温度では大部分の種類の普
通の細胞の熱損失が一律に観察される。 それで健康な組織に対しては之等の温度を超えないよう
大に注意が払われなければならない。高温で照射を長く
することは勿論健康な組織に対する熱損失の限定を決め
る重要な要素である。然し乍ら43qo乃至45qoの
範囲以上に人体の広い部分又は限定部分を加熱すると、
それが比較的短時間でも重い損傷又は死が結果として予
期される。一例としてェー・ロツシーフアネリ(A.R
ossi一Fanem)外著、1977年シュプリンガ
ー発行のr建研究の最近の結果、癌細胞の選択的熱感受
性」(RecentRes山ts in Cancer
Research.Selective HeatS
e船itMV)には悪性瞳湯と細胞の熱感受性について
実験的観察が論ぜられており、観測された熱による死の
時間は半対数状で時間対温度が直線で侍徴ずけられてい
る(同書第9刀頁参照)。各種の普通の人間の皮膚漣又
は表面近くの癌は表面加熱を直接施すこと、例えば施さ
れた所に表面ハイパーサーミアをおこす温浴により処置
に対して好ましく反応することが屡々発見されている。
併し深部にある悪性瞳湯の増殖は、主として中間に現存
する健康組織の特長的血液流の伝熱特性によって、蔽わ
れている健康組織を同時に過度に傷つけずに、表面加熱
だけで確実に破壊的温度には加熱できない。伝染病にさ
らされた思考に高い体温を人工的に誘導することを含む
非表面加熱技術は過去に屡々用いられた。 併し熱が必要な高温レベルに保つようにされる時に病気
自体から熱を許容のハイパーサーミア処置範囲に保つこ
とと、患者に対する危険という困難さから満足に行なわ
れることが少ない。又加熱した血液を全身に環流さすハ
イパーサーミア技術は患者に対して処置が遅いことと外
傷のために一般に不満足である。人間の癌処置のため既
存のハイパーサーミア技術における之等及び他の欠陥の
ために、生きている組織に生物学的ハイパーサーミアを
誘導するため、深部侵入の電磁放射ェネルギ(Elec
tromagneticradiation;EMR)
を用いる可能性は、殊に深部にあって且つ/又広く転移
した悪性瞳場の増殖のハィパーサ−ミア処置に対し、又
表面の又は表面近くの愚性腫湯に対し、目下のところ注
目すべき選択事項としてまじめに研究中である。 歴史的には生物学的組織に浸透してそれを加熱するため
約1皿HZ以上の交流周波数が前世紀の終りに発見され
た。 その結果高周波電流が、通常MHZの周波数範囲で感染
された組織と筋肉負傷のように通常の人体疾病の治療処
置用に広く用いられている。今世紀の初め名称“ジアテ
ルミア”がこのEMR組織加熱技術に与えられ、MHZ
の範囲で若干の関連のないEM旧周波数が米国で連邦行
政委員会(FCC)によって透熱療法用として広く許可
された。高周波EMR誘導のハイパーサーミアにより生
きている組織の悪性腫場増殖の実験的治療は、少くとも
1933三には報告されている。 例えば、ジェ−・ダブリュー・シエレーシユスキー(J
.W.Schereschewsky)著1933王4
自発行のラジオロジ−(Radiolo野)の題名“大
高周波の電磁放射ェネルギの生物学的影響”には400
MH2までのEMR周波数で甘日ねずみの腫傷に対する
EMRハイパーサーミアの治療的又は抑制的効果が記載
された。EMRハイパーサーミアの分野における研究の
大要がシェレーシュスキーによっても発表された。最近
例えば1974王1こグィ・レーマン(GuyUhma
n)とストーンブリッジ(Stonebrid鱒)はプ
ロシーデイングス・オブ・ザ・アイ・イー・ィー・ィー
(Proceedin袋ofthelEEE)1974
年1月第62蓋第1号に“電磁力の浩療的応用”という
論文に高周波EMR医学的ハイパーサーミアの研究の背
景をまとめて、この分野における近年の実験的活動を論
じている。癌のEMRハイパーサーミアに関する最近多
数の論文は例えば197母王アーバン・アンド・シュワ
ルツェンベルグで発行されたクリスチアン・ストレフア
(ChristianStreffer)外著の“ハイ
パーサーミアと放射による癌治療)という本に論文が編
集されている。 人間の悪性腫場増殖を処置するためにEMR譲導のハイ
パーサーミアを用いて得たはげみとなり、時には見掛け
上で成功した医学的結果が報告されてはいるが、この処
置は通常実験的種類のもので、一般には不治、さもなけ
れば末期と思われる癌患者に用いられた。 それは健康な組織に対するハイパーサーミアの損害に関
し通常重大な問題に遭遇するからである。従来の表面加
熱では、之等健康な組織の損傷問題が特に感熱組織に深
くあるか、又はこれに近接してある悪性腫傷の増殖の熱
的破壊に伴って惹起されるものである。健康な組織に対
するこの予期しないEMR熱損傷はEMRハイパーサー
ミア処理の構想における基本的不備よりも現存のEM旧
照射装置の設計及び使用に帰するものである。 例えばEMR装置は屡々放射過剰で使用し/又はEMR
加熱区域の管理が不適当であった。他の不利なことは通
常用いられる特定透熱療法用に割当てられた周波数が深
部浸透に対して一般的には不適正な放射ェネルギの周波
数であることである。更に現存のEMRハイパーサーミ
ア装置と技術は、違った型の組織間の接触面における特
有の反射によるとか、又は同時に1個以上のEMR適用
具を用いることの何れかで、使用されたェネルギ電波の
積極的干渉にもとずし、て生ずるのであろう、健康な組
織に熱的“温点”の発生と苦しさを増そうとする額向が
ある。医学的研究又は他の医学上の目的で用いられた従
来利用されているEMRハイパーサーミア装置と粗合せ
て之等及び他の問題を克服するために、本出願人は米国
特許出願番号第002584号と第048515号で改
良されたEM股ハイパーサーミア装置の米国出願を行っ
た。 之等の特許出願には平行板と導波管型のEMR温熱適用
臭、並びにこれと組合わされたEMR系が記載され特許
請求され、この適用臭は特に生物学的組織又は組織外か
ら組織を擬態する物体を照射するに適応している。広い
帯城のEMRの可能性について強調されていて、例えば
人間の悪I性腫場のハイパーサーミア処置と組合された
主要なパラメータの研究解説が可能である。又この特許
出願には深部組織の加熱特性を改良するよう配した二個
以上の温熱適用臭を同時に操作することについても記載
されている。本出願人の次の米国特許出願第05005
び号‘こは準表面組織区域にEMRハイパーサーミアを
行ないうるよう針状の侵入力あるEMR温熱適用臭が記
載されている。之等の侵入力ある適用臭を調整して並べ
て悪性腫傷を含む部分のような局限された組織部分を取
囲むことで同期したEMR電磁界の積極的干渉によって
取囲み部分におけるほぼ均一な加熱について記載されて
いる。然し乍ら大きく広く、分散した悪性腫湯の増殖が
見出される成人体の胴と腿部分にのような厚い組織塊を
、深く均一にEM旧加熱をさせうるEM旧ハイパーサー
ミア装置に対し未だに相当な需用がある。 人体の之等の同じような部分に対しては小型の適用臭を
配列してある包囲型の環状のEMR温熱適用臭装置は、
EMR加熱をすべく包囲した人体部分の全周からEMR
ェネルギが内向に放出されることで、大体望ましい。こ
のため、大型の環状磁気コイルが用いられて、置かれて
いる人体の部分にコイルを通して磁界を放射する。 このような放射された磁界は人体組織に深く侵入するこ
とが知られてはいるが、包囲した組織部分を横断面で均
一に加熱することは未だに成功すべく難かしい。これは
包囲した組織部分の中心が近付くと磁界結合に対して次
第に小さくなる組織容積が表われていることのためであ
る。それで生物学的組織にハイパーサーミアを行なうた
めこのような環状磁気コイルが用いられると、表面組織
部分は下部にある組織部分よりも更に余分に加熱される
ことが予想される。局部EMR加熱の為に用いられた個
々の多数の適用臭から作られている従来の環状EMR適
用具からは結果として同じような熱勾配があるように見
える。 通常組織部分の周りに多数の個々のEMR適用臭を配置
して一斉に操作することで深部加熱については若干の改
良が期待されるとは云え、組織加熱への必要な均一性は
組織特性と放射孔の形状に関し従来一般に知られなかっ
た特定の設計上の構造からだけ期待されている。僅かに
約400という上記した狭くて有効且つ安全な熱処置範
囲を考察すると、凡ゆる種類の悪性腫湯がハイパーサー
ミア技術によって成功裡に処置されうるものであれば、
包囲した組織を通して緩やかな熱勾配をとる必要性は必
要のように見える。 従って試料加熱の均一性がEMR装置の極めて重要な設
計上の方針でなければならない。然し乍ら従来用いられ
た型式の環状の温熱適用臭装置によって深部にある悪性
腫湯を熱的処置による成功が経験されたときは、その成
果は所望した熱の均一性よりも大きい悪性瞳傷について
緩やかな熱分散特性にもっと原因があるように見える。
従釆用いなかった加熱の均一性は、関連の低い伝熱特性
が薯るしくなる前に、例えば瞳湯の増殖の初期に深部に
広く分散した4・群の悪性瞳湯細胞に効果的に熱処置を
行なうことができよう。少くとも包囲された組織部分を
実質的均一に加熱をする能力は、例えば通常の健康な組
織についてのハイパーサーミア効果におけるEMRハイ
パーサーミアの研究分野においても、極めて重要である
。不均一のEM旧組織加熱と祖合せた困難な医学関係の
問題に加えて、従来の環状の温熱適用臭は別の問題をも
っている。 一例として、照射される組織部分と整合するィンピダン
スが少ないため、使用される多くの装置は狭い周波数帯
域の装置で、実際は組織試料に実際に照射されるものよ
りも遥かに大きい電源から電力を必要としている。これ
は必要以上に高価な装置を要する。なぜならば通常高出
力のEMR電源という高い費用だけでなく、特別に必要
な同調装置と消費電力が熱に変換される高温抵抗成分を
具えるからである。又迷走の放射漏洩ェネルキの量も増
えようとし、かかるィンピダンス謀整合のE服装直‘ま
、装置の作業者に対してあり得る放射ェネルギの危険を
防ぐため費用の掛るEMR遮蔽を必要とする。之等の理
由と他の理由のため、本発明者は生物学的組織又は組織
擬態化物質の包囲部分に改良された均一のEM旧加熱を
行なう環状のEM凪適用貝と、これに対応したEM旧照
射方法を発明した。本発明者の改良された環状の温熱適
用具装置は、EMR加熱が要求され又は所望される何れ
の目的に対しても、之等の目的が癌や他の人体の障害疾
病の医学的的ハイパーサーミアに関することでも、他の
医学的研究の分野であろうと、上記の加熱の均一性を呈
するものである。(発明の構成) 本発明によれば電磁放射ェネルギのハイパーサーミア装
置系は、予め設定された断面寸法と公知の損失物質の電
気特性を有するほぼ円筒の生物学的組織試料に実質的均
一の電磁放射ェネルギ(EMR)加熱を生ぜしめるもの
であって、予め選択される放射ェネルギの周波数fでの
電磁放射ェネルギ源と、環状の温熱適用臭装置とを具え
ている。 この適用臭装置は特殊の特性あるィンピダンスを有し、
放射入力部と組織試料を受け入れる大さの中央軸上のE
MR照射の関口を形成する手段を具えている。中央閉口
形成手段は関口の周りで関口に沿った周辺状の放出孔を
形成し、該放出孔は適用臭装置の特性インピダンスと放
出孔に置かれた受入試料の負荷ィンピダンスの間で選定
された周波数fでィンピダンス整合を生ぜしめるように
選定された藤方向の高さhと、周辺長さwを有している
。この種のィンビダンス整合は試料のEMR加熱の均一
性を増すのみならず、試料の大さと型式の変化に適合す
るため比較的広い周波数帯城での運転が可能である。又
この装置系にはェネルギ源を糧熱適用臭装贋の放射ェネ
ルギ入力部と相互接続する電磁放射ェネルギ伝送手段が
具えられている。更に詳細にはェネルギ源の放射周波数
ナは適用臭装置の関口に受入れた試料に対して対応する
波長を試料の断面寸法の予め設定された関数たらしめる
ように予め選定されている。 放射ェネルギ周波数〃ま受入れた試料における対応波長
を試料の断面寸法の三分の二と二倍の間にあるように選
ばれるのが好ましく、かくして試料の中央部分に増加的
波長の干渉を行なわせて、ェネルギと加熱を高める。放
出孔と受入れ試料の間でのEMR結合は中央関口の周り
に置かれた可榛で環状の流体収容の環塊を適用臭装置と
受入れ試料の間の空間を一ぱし、にして適用臭装置に含
ましめることで高められる。 温熱適用臭装置は夫々同じ特性ィンピダンスを有する適
用臭部片を電気的に並列に配したものから複合された形
に構成されている。 それで適用具装置の特性インピダンスは適用具の特性イ
ンピダンスの並列和である。部片の特性ィンピダンスは
従来のEMR部材の50オームのィンピダンスと対比さ
れるよう50オームに選定されるのが好ましい。ェネル
ギ源と、適用臭装置間のEMR伝送線には線分割子と、
ェネルギ源と線分割子間を結ぶ50オームの第一伝送線
と、線分割子と適用臭部片の放射線入力部間に並列接続
の多数の50オーム第二伝送線とがあって、線分割子は
共通のェネルギ源から総べての適用臭部片を同期運転さ
すことができる。 少くとも適用具部片の放射ェネルギ放出区域を充す誘電
液を設けて都片の議電負荷が行なわれる。 照射される試料の表面部分の冷却を行うことは、時に試
料の加熱均一性を高めるために必要であり、望ましくな
り、都材の放射ェネルギ放出区域に誘電液を流す手段が
具えられている。ェネルギ放出電界を不連続にするのを
避けながら誘電液として蒸留水を用いるため、部片の適
用臭区域は間隔をおいて配した多数の誘電材の放射状片
を具えている。特殊な形状では温熱適用具装置は夫々二
つづつ配置された個々のEM旧適用臭からなる90o
に配した4個の適用臭用の部片を具えている。 或る変形例では、同軸の適用具装置は電磁放射ェネルギ
の閉じた入力端と開いた試料受入端を有する単一の温熱
適用具を有している。 この適用臭は同軸で間隔をおいて配遣された内外の電導
の殻を具え、各殻は入力端で放射状に発散くる区域と反
対端で放射状に収束する区域を有しているものである。
外殻の収束する端部区域が内殻の収束する端部区域より
も入力端から離れた形で両殻の放射状に収束する端部区
域が軸方向に離れていて、放射ェネルギ放出孔が両方の
収束端部区域の間に形成されている。導電の外殻はその
発散織部区域と収束端部区域の間に凡そ円筒の中間区域
を具えて形成される。内外の両殻は何処の断面でも円形
断面で、何れの区域でも適用臭に沿い実質的に均一イン
ピダンスを供する間隔をとっている。適用臭装置は他の
種のEM旧放射の生物学的組織試料に用いられうろこと
は明らかである。然し乍ら本装置系と粗合せた利点は、
電磁放射ェネルギ源と該ェネルギから電磁ェネルギを伝
送するためェネルギ源と適用臭装置とを結ぶ電磁ェネル
ギ伝送手段を具えて、予め選定された断面寸法と公知の
損失物質の電気的特性を有するほぼ円筒の生物学的組織
試料に電磁放射ェネルギの加熱を生ぜしめるようになっ
ているシステムに、特に業績がよい。ほぼ円筒形の生物
学的組織試料を電磁放射ェネルギで加熱するための前記
システムに対応した方法は、照射される試料の断面寸法
と損失物質の特性を決定し、試料の断面寸法と損失物質
特性から試料を深く加熱させる亀磁放射ヱネルギの加熱
の周波数を選定することからなっている。 選定された電磁放射ェネルギ周波数と試料の損失物質特
性から試料の譲亀係数を決定し、試料の誘電係数から、
選定された周波数で適用臭装置の特定ィンピダンスと放
出孔からみた試料の負何ィンピダンス間のィンピダンス
整合を供する環状の放射ェネルギ適用臭装置の放射ヱネ
ルギ放出孔の大きさを決定し、それに従って環状の放射
ェネルギ適用具を製作する工程も含まれている。環状の
適用臭装置に試料を受入れた後に試料は選ばれた電磁放
射ェネルギ周波数で照射される。放射ェネルギの周波数
選定の工程には試料の断面寸法の三分の二と二倍の間で
ある試料の電磁波の波長を決める工程も含まれる。 放射ェネルギ放出孔の寸法を決める工程は適用臭の特定
ィンピダンスにもとずき試料の好ましい負荷ィンピダン
スを設定し、放出孔からみて、試料のィンピダンスを好
ましい負荷ィンピダンスと等しからしめる高さ対長さの
比のある放出孔を作る工程を含んでいる。更に環状の温
熱適用臭装置作る工程は、夫々予め選定された特性イン
ピダンスを有する多数の適用臭用の部片を予め選ばれた
並列配置から、適用臭装置を作ることも含まれ、ここで
該適用臭装置の特定インピダンスが個々の部片のィンピ
ダンスの並列和で、各部片が共通の電磁ェネルギ源に並
列に竜接されて、都片の同期運転が可能になる。 前記方法は試料への組織加熱の型をずらしうるよう電磁
放射ヱネルギの位相を適用具部片の選定された都片に変
える工程も含む。又、環状適用臭を作る工程は一個のE
MR放射の孔を有する360o同軸上にある一個の適用
具を作ることも含んでいる。(実施例) 本発明を良く理解するためには添付図面と共に次の詳細
な記載から理解される。 第1図に概要示すように本発明による電磁放射ェネルギ
(EM旧)のハイパーサーミア装置系10は生物学的組
織のEMR照射とEMR均一加熱のために作られた環状
の温熱劫塵用具装置12を具えている。 滋に使用される“生物学的組織”は実際の生物学的組織
のみならず、実験的EMRハイパーサーミアの目的に通
例用いられる“模型組織”のような生物学的組織を擬態
する物質も含むよう広く解される。図示のように、又更
に以下詳記するように、適用臭装置12は個々のもの又
は離れ離れのEMR適用具14を一体にして並べたもの
で、該適用臭は多数の適用具装置用部片16につくられ
ている。適用臭装置12を鞠方向に貫通して円筒状閉口
18が形成され、関口は人間の肢又は胴の部分のような
ほぼ円筒状の生物学的組織を受入れる形状になっており
、関口の大きさは後記するように試料の大きさでほぼ決
まる。 適用臭の閉口18の外周には円形の放射ェネルギ用の孔
即ち窓22が形成され、該窓を通して装置12よりの電
磁放射ェネルギが放射状内向に試料20に放出され次い
で適用臭縦軸24に放出される。後記するように関口1
8の直径Dと適用臭装置12の高さh‘ま放射ェネルギ
放出孔22の寸法と同じである。 試料20に良好なEMR結合を得させるため、放射ェネ
ルギの孔、22と試料20の間の中間燭、即ち間隙Sは
水充満の環塊体又は可鏡の環状包み26で完全に埋めら
れるのがよい。間隙中Sを数糠に設けることで良好な均
一放出のEMR電磁界が確保される。装置系1川こは更
に電磁放射ヱネルギ源艮0ち発電機32が具えられる。 電源32のEMR出力端は第一EMR伝送線又は伝送手
段34に接続され、該伝送線は通常の50オームィンピ
ダンスの同軸ケーブルを具えるのがよい。伝送線34の
末端には、第1図図示の複数に分割された適用臭装置1
2用として、適例の並列の同軸線分割子36が接続され
ている。多数の同長の第二EMR伝送線又は伝送手段3
8は線分割子36と各適用具部片16と適用臭の同期運
転のために相互接続している。図示の四個の分割した装
置12に対しては四本の並列伝送線38が夫々通常の5
0オーム同軸ケーブルを具えて用いられる。後記するよ
うに、試料20へのEMR加熱の型式をずらすことが時
として必要若しくは望ましいので、多数の線38間に非
同期のEMR位相変更又は変位をすることは各線に直列
に通常の“線路伸長子”40を入れることで行なわれる
。 これにより線路のEMRの長さが選択的に変わる。EM
R放射の周波数〆と適用具との重要な関係、例えば試料
の直径d(又は他の典型的断面寸法)と、成分に対し適
用臭装置の孔2の高さhと直径○との関係を注意深く考
察して、照射された組織試料20に対し大に改良された
EMR加熱の均一性が達成される。周知のように電磁波
の振幅は対応の波が損失の媒体中を伝播するにつれて減
衰し、損失の媒体が多いと波の減衰も多い。 EM旧出力密度はEMR波の振幅に関係していて、波の
透過の深さが深くなると減衰し、この出力損失則ち減衰
は通常物質の1伽当りデシベル(地/抑)の項で示され
る。更にEMR加熱はEMR出力密度の関数であるので
EMR加熱効果は損失の物質への波透過の深さが増すと
減少又は減衰する。損失物質へのEMR波の透過の深さ
と共に電磁波の振幅と出力密度の減衰の限度は加えられ
たEMR周波数ナ並びに波が伝播する媒体の電気特性に
よることも通常知られている。 人体は構成上大いに変るとは云え、次の論議のために人
体の多くの部分はEM旧損失物質の二つの一般的型の一
つを具えると考えられる。即ち筋肉、皮膚及び水分の含
有の多い組織で代表される高損失型(H−型)と脂肪、
骨及び水分含有の少ない組織で代表される低損失型(L
−型)である。之等の一般的各HとL−型の各型の人体
構成に対するEMR出力密度の減衰係数、即ち、損失係
数(db/仇)は適用されたEMR周波数の関数として
実験的に決められ、この代表値は表1に示される。 “損失1一1”は代表的H−型物質におけるEMR出力
密度の損失係数、“損失L”は代表的L一型物質におけ
る対応の損失係数である。表1から出力密度損失係数、
即ち損失日と損失LLは加えられた周波数ナと共に増加
するように見え、或る与えられた周波数では損失川ま期
待された損失Lよりも大きい。表1に示すデータはプロ
シーディングス・オブ・ザ・アィ・ィー・ィー・ィー第
6項蓋第6号(1972王6月)のカーチス・ジョンソ
ン外の論文“物質と組織系におけるイオン化効果 ”(
Ionizing Ef企ctisn Materi
als andS$tems)の第692頁以降に一例
として示したものに相当するものである。表 1 組織
の平面波特性 * FCC承認のジアテルミ周波数 之等の表1の損失係数と損失日と損失Lから、伝播媒体
の電磁波が、その出力密度が通常の係数e‐2又は86
父山だけ減少する前に進行する“透過の深さ”又は深さ
(種)は直ちに決められる。 之等の透過深さは以上では無視される僅かばかりのEE
MR組織加熱が生ずるものと思われる。表1から、照射
される特定型の物質のために最適のEMR加熱周波数ナ
は、EMRェネルギ密度透過の所望深さに応じて損失日
又は損失Lの係数として決められるようにして選定され
ることが分る。表1は例えば所望される透過深さと加熱
が大きくなると加えられるEMR周波数ナが低くあるべ
きことを示す。それでMHZという高周波は比較的透過
の少ない特性を持ち、表面部分を過度に加熱せずに深く
組織を加熱させることは期待できない。高周波で相当深
くェネルギを透過させることは試料面に過剰な電磁出力
密度を加えてこそ達成される。加えられたEMR周波数
ハこ対応するEMR波長も電磁波が伝播する物質の型に
よって決まることも広く知られている。 従って表1も表記した各周波数に対応して実験的に決め
られた波長を表示しており、入日はH−型物質の波長で
、入しはL−型物質の波長である。表1から例えば或る
与えられた適用周波数ハこ対して対応の波長^日は対応
波長^Lよりも数倍短いことが分る。実例として、表1
は20加MHZの適用周波数に対して出力密度損失を1
.81価/弧のH−型物質の損失日と約16.6肌の対
応波長入日を表示している。 又同一周波数でL一型物質については出力密度損、損失
Lはわずか0.222ddb/伽で、対応の波長Lは5
9.7のである。周波数と試料の型式と共に波長変化の
影響後の記載から更に重要になる。電磁波が損失媒体を
伝播するにつれこの特性出力密度の減衰があるため、試
料が単一方向から平面EMR波で照射される時に、試料
が直径又は断面の大きさが極めて小さくなければ、出力
密度とこれに対応の組織加熱は、通常試料の中心部分で
は試料の表面に近い部分より本質的に少ない。それで更
に説明的目的として照射されるH−型試料が一般の脚の
直径に相当する直径15伽であると仮定すると、表面出
力密度Psに標準を合せた中心部分の出力密度Pc,は
次式で与えられる。Pc,=7.反ネ×損失日
{11例えば20山MHZの上記適用周
波数〆で、15仇直径の試料の中心部分の出力密度Pc
,は表面出力密度より少ない約13.餌bであり、わず
かに約4.4%にすぎない。それで試料を横断して、中
央部分が表面部分より冷く、相当の温度勾配が生ずる。
所望されるどんな目的のためにも深部組織の加熱は、組
織表面部分を過度に加熱させずして一方向からだけの照
射で達成させることは、この例では期待できない。試料
50(第2a図)の損失媒体が、52と54の側で反対
方向で全く同一に偏波された波で照射されると、二つの
波からの波干渉で試料内に一方ではェネルギ加算(co
nstmctive)部分と減算(destr比t)部
分が生ずることとが期待される。 解説を簡単にするため、試料50は第2aと2b図で断
面正方形で示される。試料50内で重なり加算的な波干
渉区域では出力密度従ってそれに伴う組織の加熱が試料
の他の部分より多い。之に対して重なっているが減算的
な波干渉の試料区域では出力密度従って組織加熱は試料
の他の部分より少ない。両側52”54から試料を照射
すると、試料内に局部的に高温と低温部分が生ずること
が期待される。之等の加算的波干渉の効果は試料の中心
部分の加熱を高めるために用いられ、試料50を通して
加熱の均一性を増進する。 試料50が反対側52と54から適当に整合する周波数
と位相分極(phasepolarization)と
電力とのEMR波で照射されると、重なった同期的電界
によって試料中に定在波が生ずる。二乎のEMR波の偏
波が図示のように第2aと2b図の平面で両側52と5
4で平行に揃うと同じェネルギ的加算波効果が試料の中
心部分に行なわれる。之等の特殊条件下では、一つのE
MR波からの電界は加算的波干渉の区域に直接加わり、
電界強度と出力密度の公知の正方形関係により試料の中
心部分に四倍の出力密度の増分を生ぜしめる。図示の両
方何よりの同時EMR照射によって中心部分の出力密度
Pc2は次式によって与えられる。Pの=4Pc,
‘21併しこれに反して
二つの照射電磁波の偏波が垂直であると中心の全出力密
度は二個の個々の中心部分の出力密度の合計にしかなら
ず、かくして生ずる試料の中心部分の加熱は少ない。 第2b図に示すように更に別の二つの方向があつて、こ
の方向から試料50は前記した二つの波を整合した偏波
を有する同期電磁波によって照射される。 この追加的二つの電磁波は試料50の残りの両側56と
58に向けられていると、試料の中心部分の電界は単一
電磁波の場合の4倍になる。それでこれに対する中心の
出力密度Pc4は次式で与えられる。Pの=1畔c,
‘3’後記するように試
料表面の出力密度Psにおける四つの波からの合成した
付加的電界効果が無視しうるよう小さくあるように電磁
波周波数〆が適正に選ばれ、Pc,=4.4%Psとい
う例に対する四つの波より合成された中心の出力密度は
表面出力密度Psの16×4.4%、即ち70.4%で
ある。 この状態では中心部分のEM庇加熱はこれに対応して試
料の表面部分に生ずる加熱の約70%である。このレベ
ルで中心部分の加熱を行なうと、試料表面を、例えば水
冷によって普通には充分に冷却できて、試料を実質的に
均一加熱することができる。第2b図の単純な試料と放
射線波形は第2c図に示すような環状の温熱適用臭装置
12で囲まれた円筒状試料20に極めてよく似て釆てい
るが、適用具装置12は900の4個の部片16に分割
されていてこの部片から4個の同期のEMRが試料に放
出される。それで正方形試料50で上記したのと同じく
中心部分の出力密度と試料加熱が生ずることが期待され
る。然し乍ら(第2b,2c図)で4個の別々の90o
の方向から試料50又は20を照射して生じた、1母音
の中心出力密度PMを示す式糊は、環状の適用臭を用い
て達成し得られる理論上最大の中心部分出力密度を現わ
す。 これは円筒体の周りで適用臭に対し他の独立の放射線方
向が存在しないからである。高損失“模型”の試料中心
部分の出力密度に対する若干異つた結果は、上記論文“
物質と組織系におけるイオン効果”よりのデータと、ジ
アシク(Jasik)線1961年マグロヒル発行の“
アンテナ工学ハンドブック”(AnにnMEngine
eringHand8めk)に見られるような損失媒体
における電力損に関する方程式とを用いて得られる。 かかる分析により単一EM凪波による試料中心の出力密
度Pc,は約3.13%に計算され、、之に対するPの
はPsの約50%(上気の70%に対比される)である
。 然し乍ら両方の分析は均質の“模型”試料についての本
発明者の実験的決定と比較的正確に一致し、その値はP
のの約61%の歩止りである。多くの身体部分が違った
含水分を有する異なった組織型の数層からなっていて、
比較的非均質であることを考察して特定の身体部分に対
しては中心出力密度Pc,とPののもっと厳密な計算も
更に行なわれる。 かかる詳細な分析は本出願人の未発表の‘‘円筒又は楕
円形組織の深部加熱を行なう環状の温熱W圏用具”とい
う論文に見られる。このような厳密な分析は期待される
ように人体の異つた部分は違った値の中心密度Pc,と
Pc4を有する。人間の胸の部分では例えばこのような
分析は組合せ中心部分の出力密度Pc4が理論的には上
記の値より大きいことを示す。然し乍らPc4の実際値
又は理論値に拘らず、重要なことは別個に四方向から試
料に衝突する四個の同期EMR波よりの加算的の波干渉
によって、試料の中心部分の出力密度を大に高めて、そ
れによって中心部分のEMR加熱を実質的に高め、別個
の四個のEMR電波よりも少ない加熱でハイパーサーミ
アのために生物学的試料に対しEMRを均一にすること
を大に改良するということである。然し乍らこのことは
上気の中心部分の出力密度を高めることと、それに応じ
て中心部分の高められたEMR加熱とが最適状態を呈す
るということが強調されるもので、これは別個の数万向
から試料に同時照射しただけでは必ずしも達成されるも
のではない。 之等最も適正に高めた中心部分の効果は適用周波数〆が
試料の大さと成分を充分に顧慮して選定されてこそ達成
されるのである。適用周波数が適正に選ばれないと、中
心部分に低い出力密度が生じ、加算的と減算的の波干渉
によって他の高温又は低温の部分が試料に生ずる。本発
明者の実験では、照射される特定試料におけるEMR波
の波長が次式で与えられる適当な範囲にあると、中心部
分の出力密度と加熱は典型的組織試料には最大で、他の
試料部分には最小の熱点と冷点を伴うことを示す。 2/めく^H/Lく幻
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of device systems for irradiating biological tissue with electromagnetic radiation for medical hyperthermia purposes, and in particular to the field of device systems for irradiating biological tissues with electromagnetic radiation for medical hyperthermia purposes, and in particular to the field of device systems for irradiating biological tissues with electromagnetic radiation for medical hyperthermia purposes, and in particular to the field of device systems for irradiating biological tissue with electromagnetic radiation for medical hyperthermia purposes, and in particular for the field of annular device systems in combination with hyperthermia devices of this type. This invention relates to a radiant energy thermal application odor device. BACKGROUND OF THE INVENTION A variety of therapeutic treatments are currently in common use for human cancer. These treatments include surgery, irradiation from X-ray or radioactive sources, and chemotherapy, and these treatments are often combined in various ways to enhance the effectiveness of the treatment. Although this type of conventional therapeutic technique has been successful in treating many patients with lotus and prolonging the lives of many others, it is often ineffective against many types of cancer, and is often This has a very negative and tremendous impact on the level of treatment required, if not on the level of treatment required. For example, long-term treatment of cancer patients with X-rays or chemotherapy can leave many patients vulnerable to common, if not fatal, infections such as influenza and pneumonia. attempts to destroy or suppress the patient's own immune system to a certain extent. Also, many patients with advanced cancer or pre-existing conditions are too frail to endure the trauma of surgical or other cancer treatments. Therefore, it cannot be treated and must be stopped. The prevalence of human cancer, the typically dire consequences, and the frequent ineffectiveness of current treatments mentioned above have led medical researchers to discover and develop improved or other cancer treatment methods with combined treatment devices. We are constantly researching our prospects. Over a long period of time, hyperthermia, or hyperthermia therapy that artificially increases body temperature, has been found to be extremely effective in treating various physical disorders and actually doubling the body's thermal defense mechanisms. There is. Recently, hyperthermia has been used alone in human cancer treatment.
Alternately, it has enabled the use and effectiveness of major areas of research in combination with traditional addiction treatments. This study shows that hyperthermia technology, in combination with conventional short-term treatments, is highly effective in treating many or most types of human cancer without the often severe and harmful side effects. This is important because it seems to have the potential to. Researchers working on hyperthermia in cancer heat the malignant glands at temperatures slightly lower than those that are harmful to most healthy cells, which usually leads to extremely bad side effects and the proliferation of many types of malignant cells in the human body. Cases of scales being thermally destroyed have been reported. Additionally, it has been discovered that many types of tumorous masses have substantially weaker than normal heat transfer or heat dispersion properties, which means that they have fewer blood vessels and less blood flow. It is presumed that this is due to the characteristics that there are few. Therefore, it appears that this type of proliferation can be treated selectively with hyperthermia. The result of the growth of a poorly vascular malignant tumor is that it is heated to a temperature several degrees higher than that reached by the directly surrounding healthy tissue. This means that the proliferation of this type of malignant tumor, which is less heat-sensitive than normal tissue, can be treated with hyperthermia without destroying normal cells, and furthermore, the growth of this type of malignant tumor, which is less heat-sensitive than normal tissue, can be treated with hyperthermia. Time hyperthermia treatments are promising and usually have benefits for important medical reasons. In this regard, researchers generally believe that as a result of the thermal properties of most malignant tumor growths and the thermosensitivity of normal human body cells, hyperthermia temperatures for the treatment of human cancers are relatively narrow, effective, and safe. They report that the temperature must be strictly limited within a range.
It has been discovered that below a limiting temperature of about 41.5° C., significant thermal destruction of the bulk of the cells does not normally occur. It is believed that low hyperthermia temperatures, on the contrary, stimulate the undesirable growth of many types of malignant tumors. At slightly higher hyperthermia temperatures, in the range of about 43 qo to 45 qo or above, heat loss is uniformly observed in most types of normal cells. Great care must therefore be taken not to exceed these temperatures for healthy tissues. Elevated temperatures and prolonged irradiation are of course important factors in limiting heat loss to healthy tissue. However, if a wide or limited part of the human body is heated above the range of 43 qo to 45 qo,
Severe injury or death can be expected as a result even if it is for a relatively short period of time. For example, A.R.
``Recent Results of Research on Selective Thermosensitivity of Cancer Cells,'' published by Springer in 1977.
Research. Selective HeatS
The e-ship itMV) discusses experimental observations regarding malignant eye water and the thermal sensitivity of cells, and the observed time for death due to heat is semi-logarithmic, with time vs. temperature being a straight line. (See page 9 of the same book). It has often been found that various normal human skin lesions or near-surface cancers respond favorably to treatment by direct application of surface heating, such as hot baths which produce surface hyperthermia where applied.
However, the growth of malignant eyelids in deep areas can be prevented by surface heating alone, without simultaneously damaging the surrounding healthy tissue, mainly due to the heat transfer characteristics of the characteristic blood flow of the existing healthy tissue in the middle. Cannot be heated to destructive temperatures. Non-surface heating techniques, which involve artificially inducing elevated body temperatures in thought exposed to infectious diseases, have often been used in the past. However, this is rarely done satisfactorily due to the difficulty of keeping the heat within an acceptable hyperthermia treatment range from the disease itself and the risk to the patient when attempting to maintain the heat at the required high temperature level. Hyperthermia techniques, which circulate heated blood throughout the body, are also generally unsatisfactory due to slow treatment and trauma to the patient. Because of this and other deficiencies in existing hyperthermia technologies for the treatment of human cancer, deep-penetrating electromagnetic radiation (ELEC) has been used to induce biological hyperthermia in living tissue.
tromagnetic radiation; EMR)
The possibility of using it is currently of interest, especially for hyperthermia treatment of deep and/or widely metastatic malignant pupillary growths, and also for superficial or near-superficial tumors. We are currently seriously researching this as a viable option. Historically, alternating current frequencies of about 1 Hz or more were discovered at the end of the last century to penetrate and heat biological tissues. As a result, high frequency currents are widely used for therapeutic treatment of common human diseases such as infected tissue and muscle injuries, usually in the MHZ frequency range. At the beginning of this century, the name “diathermia” was given to this EMR tissue heating technology, and MHZ
Several unrelated EM old frequencies in the range have been widely cleared for use in diathermia therapy by the Federal Executive Commission (FCC) in the United States. Experimental treatment of malignant tumor growth in living tissue by radiofrequency EMR-induced hyperthermia has been reported since at least 1933. For example, J. W. Siereshewski (J.
.. W. Schereschewsky) 1933 King 4
The title of his self-published Radiology book, “Biological Effects of Large High Frequency Electromagnetic Radiation Energy,” contains 400
Therapeutic or inhibitory effects of EMR hyperthermia on sweet day rat tumors at EMR frequencies up to MH2 have been described. A compendium of research in the field of EMR hyperthermia was also presented by Shereshsky. Recently, for example, in 1974, GuyUhma
n) and Stonebrid Trout in Proceedings of the IEEE (1974)
In January 2017, No. 62, No. 1, the paper titled "Hypertherapeutic Application of Electromagnetic Force" summarizes the background of research on high-frequency EMR medical hyperthermia and discusses recent experimental activities in this field. A number of recent papers on EMR hyperthermia in cancer have been published, for example, in the book ``Hyperthermia and Cancer Treatment by Radiation'' by Christian Streffer, published in 197 Mother Urban and Schwarzenberg. Although there have been some reports of seemingly successful medical results using EMR-directed hyperthermia to treat malignant tumor growths in humans, this treatment is usually of an experimental nature. It is commonly used in patients with incurable or otherwise considered terminal cancers, as it usually encounters serious problems with hyperthermia damage to healthy tissue. Conventional surface heating, such as The problem of healthy tissue damage is particularly caused by the thermal destruction of malignant tumor growths deep in or in close proximity to heat-sensitive tissue.This unexpected EMR heat to healthy tissue The damage is due to the design and use of existing EM legacy irradiation equipment rather than fundamental flaws in the concept of EMR hyperthermia processing. For example, EMR equipment is often used with excessive radiation and/or
The heating area was improperly managed. Another disadvantage is that the frequencies assigned for specific diathermal treatments commonly used are generally inappropriate radiant frequencies for deep penetration. In addition, existing EMR hyperthermia devices and techniques are limited by the aggressiveness of the energetic radio waves used, either through unique reflections at interfaces between different types of tissue, or through the use of more than one EMR applicator at the same time. There is a tendency to create thermal "hot spots" in healthy tissue and increase the suffering caused by physical interference. In order to overcome these and other problems of poor integration with previously available EMR hyperthermia devices used for medical research or other medical purposes, the applicant has disclosed US Patent Application No. 002,584 and No. 048,515 was filed in the United States for an improved EM crotch hyperthermia device. These patent applications describe and claim a parallel plate and waveguide type EMR thermal applied odor and a combined EMR system, which applied odor is particularly suitable for biological or extracellular tissues. It is adapted to irradiate objects to be mimicked. The potential of wide range EMR is highlighted, allowing for the study of key parameters in combination with hyperthermia treatment of malignant tumors in humans, for example. This patent application also describes the simultaneous operation of two or more thermally applied odors arranged to improve deep tissue heating properties. Applicant's following U.S. Patent Application No. 05005
This number describes an acicular, penetrating EMR thermal application odor that can perform EMR hyperthermia in subsurface texture areas. These intrusive applications can be arranged in a controlled manner to surround a localized tissue area, such as an area containing a malignant tumor, resulting in near-uniform heating in the surrounding area by active interference of synchronized EMR electromagnetic fields. It is written about. However, there is still considerable demand for EM hyperthermia devices that can deeply and uniformly EM heat thick tissue masses, such as those in the torso and thighs of an adult body, where large and widely dispersed growth of malignant tumor is found. There is. For similar parts of the human body, an encircling annular EMR thermal applied odor device with an array of small applied odor is used.
EMR from all around the surrounding human body part for EMR heating.
Energy is released inward, which is generally desirable. For this purpose, a large annular magnetic coil is used to radiate a magnetic field through the coil to the part of the body where it is placed. Although such radiated magnetic fields are known to penetrate deeply into human tissue, uniform cross-sectional heating of the surrounding tissue remains difficult to successfully achieve. This is due to the fact that as the center of the enclosed tissue portion approaches, a progressively smaller tissue volume is presented to the magnetic field coupling. Therefore, when such an annular magnetic coil is used to hyperthermia biological tissue, it is expected that the surface tissue portions will be heated even more than the underlying tissue portions. A similar thermal gradient appears to result from a conventional annular EMR applicator made from multiple individual application odors used for localized EMR heating. Although some improvement in deep heating is expected by placing a large number of individual EMR application odors around a tissue area and operating them all at once, the necessary uniformity of tissue heating depends on tissue characteristics. It is only expected from a specific design structure that was previously unknown to the public regarding the shape of the radial aperture. Considering the above-mentioned narrow effective and safe thermal treatment range of only about 400, if all types of malignant tumors can be successfully treated by hyperthermia technology;
The need for a gradual thermal gradient through the surrounding tissue appears necessary. Therefore, uniformity of sample heating must be a critical design principle for EMR equipment. However, when success has been experienced in thermally treating deep malignant tumors with an annular heat-applied odor device of the type previously used, the results have been milder for malignant pupillary lesions that are greater than the desired uniformity of heat. The cause appears to be more due to the thermal dispersion properties.
The uniformity of the heating, which was not used as a secondary method, is effective against the malignant Hitotou cells of Group 4, which are widely dispersed in the deep region at the beginning of Hitotou proliferation, for example, before the related low heat transfer properties become obtrusive. Heat treatment could be used. The ability to substantially uniformly heat at least an enclosed portion of tissue is also of critical importance in the field of EMR hyperthermia research, for example in hyperthermia effects on normal healthy tissue. In addition to the difficult medical problems associated with non-uniform EM tissue heating, traditional annular thermal application has other problems. As an example, because there is less impedance matching to the tissue section being irradiated, many of the devices used are narrow frequency band devices and require power from sources that are much larger than what is actually irradiated to the tissue sample. It is said that This requires unnecessarily expensive equipment. This is due to the high cost of typically high power EMR power supplies, as well as the need for special tuning equipment and high temperature resistive components where the power dissipated is converted to heat. The amount of stray radiation leakage energy is also likely to increase, requiring costly EMR shielding to prevent possible radiation hazards to equipment operators as well as the equipment for such impedance matching. For these and other reasons, the inventors have developed a corresponding annular EM-applied shell that provides improved uniform EM heating to surrounding areas of biological tissue or tissue-mimetic materials. Invented the old EM irradiation method. The inventor's improved annular heat applicator device is suitable for any purpose for which EMR heating is required or desired, such as medical hyperthermia treatment of cancer or other human body disorders. Whether in the field of medical research or in other fields of medical research, the above-mentioned uniformity of heating is exhibited. SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, an electromagnetic radiation energy hyperthermia device system provides substantially uniform electromagnetic radiation to a generally cylindrical biological tissue sample having predetermined cross-sectional dimensions and known loss material electrical properties. an electromagnetic radiant energy source at a preselected radiant energy frequency f, and an annular thermally applied odor device. This applied odor device has a special characteristic impedance,
E on the central axis sized to receive the radiation input and tissue sample.
It is provided with means for forming a gateway for MR irradiation. The central closure forming means forms a circumferential discharge hole around the checkpoint and along the checkpoint, the discharge hole being selected between the characteristic impedance of the applied odor device and the loading impedance of the receiving sample placed in the discharge hole. It has a vertical height h and a perimeter length w selected to produce impedance matching at frequency f. This type of indirection matching not only increases the uniformity of EMR heating of the sample, but also allows operation over a relatively wide frequency range to accommodate variations in sample size and type. The system also includes electromagnetic radiant energy transmission means for interconnecting the energy source with the radiant energy input of the thermal application odor system. More specifically, the radiation frequency of the energy source is preselected so that the wavelength corresponding to the sample received at the entrance of the applied odor device is a predetermined function of the cross-sectional dimensions of the sample. The radiant energy frequency is preferably chosen such that the corresponding wavelength in the received sample is between two-thirds and twice the cross-sectional dimension of the sample, thus causing interference of incremental wavelengths in the central part of the sample. to increase energy and heating. The EMR coupling between the discharge hole and the receiving sample is achieved by using a flexible annular fluid-containing ring mass placed around the central entrance to fill the space between the applied odor device and the receiving sample. It can be enhanced by including it in The heat-applied odor device is constructed in a composite form of applied odor sections electrically arranged in parallel, each having the same characteristic impedance. The characteristic impedance of the applicator device is then the parallel sum of the characteristic impedances of the applicator. The characteristic impedance of the piece is preferably chosen to be 50 ohms, as compared to the 50 ohm impedance of conventional EMR components. The EMR transmission line between the energy source and the applied odor device includes a line splitter;
There is a 50 ohm first transmission line connecting the energy source and the line splitter, and a number of 50 ohm second transmission lines connected in parallel between the line splitter and the radiation input portion of the applied odor piece. The child can synchronize all applied odor components from a common energy source. Electrical loading of the cap is performed by providing a dielectric liquid that fills the radiant energy emitting area of at least the applicator section. Cooling of the surface portion of the sample being irradiated is sometimes necessary and desirable to increase the uniformity of heating of the sample, and means are provided for flowing a dielectric liquid into the radiant energy emitting area of the material. In order to use distilled water as the dielectric liquid while avoiding discontinuities in the energy emitting field, the application area of the piece comprises a number of spaced apart radial pieces of dielectric material. In a special configuration, the heat applicator device consists of two individual EM old applicators each arranged at 90°C.
It has four applied odor pieces arranged on the inside. In some variations, the coaxial applicator apparatus includes a single thermal applicator having a closed input end for electromagnetic radiation and an open sample receiving end. The applied odor comprises coaxially spaced inner and outer conductive shells, each shell having a radially diverging area at the input end and a radially converging area at the opposite end. .
The radially converging end areas of both shells are axially separated such that the converging end area of the outer shell is further from the input end than the converging end area of the inner shell, and the radiant energy release holes are both is formed between the convergent end areas of the. A conductive shell is formed with a generally cylindrical intermediate region between its diverging weave region and converging end region. Both the inner and outer shells are circular in cross section everywhere and are spaced to provide a substantially uniform impedance along the applied odor in either area. It is clear that the applied odor device could be used for biological tissue samples of other species of EM radiation. However, the advantages of roughly combining this device system are:
a generally cylindrical body having a preselected cross-sectional dimension and known electrical characteristics of a lossy material, comprising a source of electromagnetic radiation energy and an electromagnetic energy transmission means connecting the energy source and an applied odor device for transmitting electromagnetic energy therefrom; Systems adapted to produce electromagnetic radiation heating of biological tissue samples have been particularly successful. A method compatible with said system for heating a generally cylindrical biological tissue sample with electromagnetic radiation energy determines the cross-sectional dimensions and lost material properties of the sample to be irradiated; The method consists of selecting the heating frequency of tortoise-magnetic radiation energy that deeply heats the sample. The yield coefficient of the sample is determined from the selected electromagnetic radiation energy frequency and the loss material properties of the sample, and the dielectric coefficient of the sample is determined.
Determine the size of the radiant energy discharge hole of the annular radiant energy applied odor device that provides impedance matching between the specified impedance of the applied odor device and the negative impedance of the sample as seen from the discharge hole at the selected frequency, and accordingly It also includes the process of manufacturing a radiant energy applicator. After receiving the sample into the annular application odor device, the sample is irradiated with a selected electromagnetic radiation energy frequency. The process of selecting the frequency of the radiant energy also includes the process of determining the wavelength of the electromagnetic waves of the sample that is between two-thirds and twice the cross-sectional dimension of the sample. The step of sizing the radiant energy release hole is to set the preferred loading impedance of the sample based on the specific impedance of the applied odor, and to determine the height versus length that equates the sample impedance to the preferred load impedance when viewed from the release hole. It includes the step of creating a discharge hole with a certain ratio. The step of making the annular thermal application odor device further includes making the application odor device from a preselected parallel arrangement of a number of application odor pieces each having a preselected characteristic impedance, where the application odor device is The specific impedance of the applied odor device is the parallel sum of the impedances of the individual pieces, and each piece is connected in parallel to a common electromagnetic energy source, allowing for synchronized operation of the pieces. The method also includes the step of changing the phase of the electromagnetic radiation energy to selected sections of the applicator section to shift the type of tissue heating to the sample. Also, the process of creating a circular applied odor involves one E
It also includes creating a single applicator that is 360o coaxial with the MR radiation aperture. EXAMPLES A better understanding of the present invention may be had from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. As schematically illustrated in FIG. 1, an electromagnetic radiation energy (formerly known as EM) hyperthermia device system 10 according to the present invention includes an annular thermal dust tool device 12 made for EMR irradiation and EMR uniform heating of biological tissue. It is equipped with "Biological tissue" as used in Shigeru includes not only actual biological tissue, but also materials that mimic biological tissue, such as "model tissue" commonly used for experimental EMR hyperthermia purposes. widely understood. As shown, and as further detailed below, the applied odor device 12 may be an array of individual or separate EMR applicators 14, which apply odor from multiple applicator device parts. It was built on the 16th. A cylindrical closure 18 is formed through the applied odor device 12 in the mari direction, the closure being shaped to receive a generally cylindrical biological tissue such as a human limb or torso section, and the closure being shaped to receive a generally cylindrical biological tissue such as a human limb or torso section. As will be explained later, the size is almost determined by the size of the sample. A circular radiation aperture or window 22 is formed in the outer periphery of the applied odor closure 18 through which electromagnetic radiation from the device 12 is emitted radially inwardly to the sample 20 and then to the applied odor longitudinal axis 24. be done. As mentioned later, Sekiguchi 1
The diameter D of 8 and the height h' of the applied odor device 12 are the same as the dimensions of the radiant energy discharge hole 22. In order to obtain a good EMR coupling to the sample 20, the intermediate candle or gap S between the radiant hole 22 and the sample 20 is completely filled with a water-filled annular mass or a mirrored annular envelope 26. Good. By providing several S in the gap, a well uniformly emitted EMR electromagnetic field is ensured. The apparatus system 1 further includes an electromagnetic radiation energy source 0 and a generator 32. The EMR output of power supply 32 is connected to a first EMR transmission line or transmission means 34, which transmission line preferably comprises a conventional 50 ohm impedance coaxial cable. At the end of the transmission line 34, there is an applied odor device 1 divided into a plurality of parts as shown in FIG.
For two applications, a suitable parallel coaxial line splitter 36 is connected. A number of second EMR transmission lines or transmission means 3 of the same length
8 are interconnected for synchronized operation of the line divider 36 and each applicator section 16 and applied odor. For the four divided devices 12 shown, four parallel transmission lines 38 each have a conventional
Used with 0 ohm coaxial cable. As will be discussed below, since it is sometimes necessary or desirable to stagger the type of EMR heating to the specimen 20, asynchronous EMR phase changes or displacements between multiple lines 38 may be achieved by adding a conventional "line extension" in series with each line. This is done by inserting the child ``40''. This selectively changes the EMR length of the line. E.M.
Important relationships between the frequency of the R radiation and the application tool, such as the relationship between the diameter d of the sample (or other typical cross-sectional dimension) and the height h and diameter ○ of the hole 2 of the applied odor device for the component, With careful consideration, greatly improved EMR heating uniformity for the irradiated tissue sample 20 is achieved. As is well known, the amplitude of an electromagnetic wave is attenuated as the corresponding wave propagates through a lossy medium, and the more lossy the medium, the more the wave will be attenuated. The EM power density is related to the amplitude of the EMR wave and is attenuated as the depth of wave penetration increases, and this power loss, or attenuation, is usually expressed in terms of decibels per ton of material. It will be done. Furthermore, since EMR heating is a function of EMR power density, the EMR heating effect decreases or attenuates as the depth of wave penetration into the lossy material increases. It is also commonly known that the limits of the attenuation of the electromagnetic wave's amplitude and power density as well as the depth of penetration of the EMR wave into a lossy material depend on the applied EMR frequency as well as the electrical properties of the medium through which the wave propagates. Although the human body varies greatly in composition, for the purposes of the following discussion many parts of the human body will be considered to contain one of two general types of EM old loss material. That is, the high-loss type (H-type) represented by muscle, skin, and tissues with high water content, and fat,
Low-loss type (L
-type). The attenuation coefficient, or loss factor (db/db), of the EMR power density for each of these general H and L-type human body configurations is determined experimentally as a function of the applied EMR frequency; Typical values are shown in Table 1. "Loss 1-1" is the loss factor of EMR power density in a typical H-type material, and "Loss L" is the corresponding loss factor in a typical L-type material. From Table 1, the power density loss coefficient,
That is, the loss and the loss LL appear to increase with the added frequency, and at a given frequency the loss is larger than the expected loss L. The data shown in Table 1 is based on the article by Curtis Johnson et al. in Proceedings of the I.I.E. effect "(
Ionizing Effectisn Materi
This corresponds to the one shown as an example on page 692 and subsequent pages of ``Als and S$tems''. Table 1 Plane wave characteristics of tissue
The "penetration depth" or depth (seed) that progresses before only the father mountain decreases is immediately determined. The penetration depth is a small amount of EE which is ignored above.
It is believed that MR tissue heating occurs. From Table 1, it can be seen that the optimal EMR heating frequency N for a particular type of material to be irradiated can be selected as a factor of the loss day or loss L depending on the desired depth of EMR energy density penetration. I understand. Table 1 shows, for example, that the greater the desired penetration depth and heating, the lower the applied EMR frequency should be. Therefore, the high frequency MHZ has a characteristic of relatively low penetration, and it cannot be expected to deeply heat tissue without excessively heating the surface portion. Significantly deep energy penetration at high frequencies can only be achieved by applying excessive electromagnetic power density to the sample surface. It is also widely known that the applied EMR frequency and the corresponding EMR wavelength also depend on the type of material through which the electromagnetic waves propagate. Therefore, Table 1 also shows experimentally determined wavelengths corresponding to each of the frequencies listed, and the sunset is the wavelength of the H-type material, and the onset is the wavelength of the L-type material. From Table 1, it can be seen that for a given applied frequency, for example, the corresponding wavelength is several times shorter than the corresponding wavelength. As an illustration, Table 1
has a power density loss of 1 for an applied frequency of 20 MHZ.
.. The loss date of the H-type substance with 81 valence/arc and the corresponding wavelength input date of approximately 16.6 skin are displayed. Also, at the same frequency, the power density loss, loss L, for type L material is only 0.222 ddb/k, and the corresponding wavelength L is 5
It's 9.7. The effects of wavelength changes along with frequency and sample type become even more important. Because of the attenuation of this characteristic power density as electromagnetic waves propagate through lossy media, when a sample is irradiated with a planar EMR wave from a single direction, unless the sample has a very small diameter or cross-sectional size, the power density and The corresponding tissue heating is usually substantially less in the center of the sample than in areas closer to the surface of the sample. Therefore, for further illustrative purposes, if we assume that the irradiated H-type sample has a diameter of 15 mm, which corresponds to the diameter of a typical leg, then the power density in the central part, Pc, standardized to the surface power density Ps, is calculated by the following formula: is given by Pc,=7. Anti-ne x Lost days
{11 For example, at the above applied frequency of 20 MHZ, the power density Pc at the center of a sample with a diameter of 15 mm
, is less than the surface power density, about 13. Bait b, which accounts for only about 4.4%. There is therefore a significant temperature gradient across the sample, with the central portion being cooler than the surface portion.
Heating of the deep tissue for any desired purpose cannot be expected in this example to be achieved with irradiation from only one direction without excessively heating the surface portions of the tissue. When the lossy medium of sample 50 (Fig. 2a) is irradiated with waves that are polarized identically in opposite directions on sides 52 and 54, wave interference from the two waves causes an energy addition in the sample on the one hand. (co
It is expected that a subtraction (destr ratio t) part and a subtraction (destr ratio t) part will occur. For ease of explanation, the sample 50 is shown with a square cross section in Figures 2a and 2b. Areas of overlapping additive wave interference within sample 50 have greater power density and therefore tissue heating than other portions of the sample. In areas of the sample with overlapping but subtractive wave interference, the power density and hence tissue heating is less than in other parts of the sample. Irradiating the sample from both sides 52"54 is expected to create locally hot and cold areas within the sample. These additive wave interference effects can be used to enhance heating of the central portion of the sample. , which promotes uniformity of heating through the sample 50. When the sample 50 is irradiated with EMR waves of suitably matched frequency, phase polarization, and power from opposite sides 52 and 54, the superimposed synchronous electric fields cause A standing wave is generated in the sample.The polarization of the two EMR waves is on both sides 52 and 5 in the plane of Figures 2a and 2b as shown.
4, the same energetic additive wave effect occurs in the center of the sample. Under such special conditions, one E
The electric field from the MR waves joins directly into the area of additive wave interference,
The known square relationship between field strength and power density produces a fourfold power density increment in the center of the sample. By simultaneous EMR irradiation on both sides shown in the figure, the power density Pc2 in the central portion is given by the following equation. P=4Pc,
'21 However, if, on the other hand, the polarizations of the two irradiating electromagnetic waves are perpendicular, the total power density at the center is only the sum of the power densities of the two individual center sections, and the resulting heating of the center section of the sample is therefore few. As shown in FIG. 2b, there are two further directions from which the sample 50 is irradiated by synchronous electromagnetic waves having polarizations that match the two waves described above. When these two additional waves are directed to the remaining sides 56 and 58 of the sample 50, the electric field in the center of the sample is four times that of a single wave. Therefore, the central power density Pc4 for this is given by the following equation. P's = 1 c,
'3' As described later, the electromagnetic wave frequency limit is appropriately selected so that the combined additional electric field effect from the four waves at the power density Ps on the sample surface is negligibly small, Pc, = 4.4% The central power density synthesized from the four waves for the example Ps is 16×4.4%, or 70.4%, of the surface power density Ps. In this state, the EM eave heating in the central portion is approximately 70% of the corresponding heating occurring in the surface portion of the sample. With this level of central heating, the surface of the sample can usually be cooled sufficiently, for example by water cooling, to provide substantially uniform heating of the sample. The simple sample and radiation waveform of FIG. 2b look very similar to a cylindrical sample 20 surrounded by an annular thermal application device 12 as shown in FIG. It is divided into four pieces 16 from which four synchronous EMRs are emitted to the sample. It is therefore expected that the same central power density and sample heating as described above for square sample 50 will occur. However, in (Figures 2b and 2c) four separate 90o
The equation showing the central power density PM of one vowel produced by irradiating the sample 50 or 20 from the direction of represents the theoretical maximum central partial power density that can be achieved using an annular applied odor. This is because there is no other independent radiation direction for the applied odor around the cylinder. A slightly different result for the power density in the center of the sample of the high-loss “model” is shown in the paper “
Data from ``Ion Effects in Matter and Tissue Systems'' and Jasik Lines'' published by McGraw-Hill in 1961.
Antenna Engineering Handbook” (An MEngine
It is obtained using the equation for power loss in a lossy medium as seen in EringHand 8). From this analysis, the power density Pc at the center of the sample due to a single EM calm wave is calculated to be about 3.13%, and P for this is about 50% of Ps (compared to 70% of the upper air). . However, both analyzes agree relatively accurately with our experimental determinations on homogeneous "model" samples, and the value of P
The yield is about 61%. Many body parts consist of several layers of different tissue types with different water content,
More rigorous calculations of the central power densities Pc, and P are also performed for particular body parts to account for their relative non-homogeneity. Such a detailed analysis can be found in the applicant's unpublished paper titled ``Annular thermal W-sphere device for deep heating of cylindrical or elliptical tissues.'' As expected, such a rigorous analysis Different parts of have different values of central densities Pc, and Pc4.For example, in the human chest part, such an analysis shows that the power density Pc4 of the combined central part is theoretically larger than the above values. However, regardless of the actual or theoretical value of Pc4, the important thing is that the power density at the center of the sample can be increased by additive wave interference from four synchronized EMR waves that impinge on the sample from four directions separately. , thereby substantially increasing EMR heating of the core and greatly improving EMR uniformity for biological samples due to hyperthermia with less heating than four separate EMR radio waves. However, this emphasizes that increasing the power density in the central part of the upper air and correspondingly increased EMR heating in the central part represents an optimum; This cannot necessarily be achieved simply by simultaneously irradiating the sample from tens of thousands of separate directions.The most appropriately enhanced effect at the center can be achieved if the applied frequency is selected with due consideration to the size and components of the sample. If the applied frequency is not chosen properly, there will be a low power density in the central region and other hot or cold regions will be created in the sample due to additive and subtractive wave interference.The present invention In our experiments, when the wavelength of the EMR waves in a particular irradiated sample falls within the appropriate range given by indicates that there is a minimum hot spot and cold spot. 2/Flip^H/L Kuphant

【4’遂にd
は試料の直径又は試料の特有断面寸法で、^H/Lは試
料のタイプに従ってH−型物質又はL一型物質における
適用周波数ハこ対応する試料の波長である。EMR周波
数〆は^H/Lが約二倍の試料直径より大きいように選
ばれると、インピダンス整合を得ることが困難で、中心
部分の加熱に殆んど改善されないことが観察される。之
に対して^H/Lが試料直径の約2/3以下であると、
他の部分に冷点があるように、中心外れに熱点が生ずる
ことが観察される。然し乍ら適用周波数〃ま対応する波
長が式‘41で示す範囲内にあるように選ばれると、好
ましくない最小の′熱点と冷点を他の部分に生じさせつ
つ、実質的に中心部分に加算的加熱が生ずることが分る
。手続上試料直径をdとすると、(又は仮定すると)最
適EMR波長範囲は式‘41で決定される。 各種の対応EMR周波数に対し日一型物質とL−型物質
用の入日と入Lを表示する表1から試料のEMR加熱用
の最適EMR周波数範囲が選定される。図示のように一
般の成人の胸部又は骨盤の直径に相当する約33弧の試
料直径dに対し、式‘41は約22乃至6&あの波長入
日/Lが試料を穣上の加熱均一性に対して選ばれること
を示す。 各種の皮膚層、筋肉、脂肪、骨のために、試料はH−型
とL−型の両部分を含むと考えると、表1は対応する約
10山MHZのEMR周波数ナが試料照射のために選ば
れるのがよく、その折の対応した波長^日は27肌、^
Lは】06伽で最適の22〜66肌の波長範囲に近接し
ている。表1は亦純粋な日一型試料に対し10のけHZ
以下の低い周波数ナも選ばれることができ、純粋なL−
型試料に対し10皿MHZより大きい周波数も選ばれ得
ることを示している。 表1から又一例として小直径の試料に対しては小さい直
径と組合つて低い最適の^H/L範囲に対応するよう高
い周波数ナが必要であることも分る。例示とし約20仇
の直径をもつ肢に均一EMRハイパーサ−ミアを行なう
ため、式{4}から波長は約13乃至14弧の間であり
、表1は約20のMH2のEMR放射ェネルギの周波数
が選ばれるのが好ましいことを示している。上記の事項
から、13.5;27.12:40.68:915;2
450:蛾00:20129MHZというFCCが配分
したジアテルミ周波数は、装置12のような環状の温熱
適用臭装置で比較的大蓬又は小蓬の試料以外の他のもの
のEMR加熱に対しては何れも最適ではないことが分る
。 更に普通の試料大さに対しFCCが配分した之等のジア
テルミ周波数を用いると試料に好ましくない高い熱勾配
及び/又は好ましくなく熱点と冷点が生ずることが予想
される。上記の手順に従って最適のEMR加熱周波数又
は周波数範囲が装置系10のために選ばれたと仮定して
も、適用臭装置12と装置に詰められる試料20との間
に良好なィンピダンス整合を行なうことについての重要
な考察が残る。装置12と試料20とのィンピダンス整
合をさせることは後記するように、選定されたEM旧周
波数ナで試料の大さと特性に従って贋の放出孔22の大
さを決めることを意味する。装置12と試料20間のィ
ンピダンス整合は色々な理由で重要であり、その一部は
マイクロ波技術の当楽技術者にはよく知られている。 放出装置対負荷間の良好なィンビダンス整合がないと、
例えば適用したEMRェネルギが負荷から放出系に反射
されることが知られている。記載したEMR系10の合
成効果は、ェネルギ源32を反射波ェネルギから守るた
めに、伝送線34にはェネルギ源近くに通常費用の掛る
同調手段(図示せず)が必要である。更に装置系101
こ設定された合成定在波よりのェネルギが装置系に熱と
して散逸されなければならないので、必要以上に費用の
掛る熱抵抗システム成分が更に装置系費用に追加的に要
求される。装置12対試料20のィンピダンス整合が襲
いにも拘らず、装置系10は、上述の同調手段と熱抵抗
成分を具えた時に、EM旧ハイパーサーミアのために要
する試料へのEMR電力量を供するためには、通常過励
振される。 然し乍らこの過励振をさせるよう設備すると、良好なィ
ンピダンス整合条件に要する以上にェネルギ源32が高
い出力を必要とする設備力を具えることを要し、更に装
置系10‘こ費用を加えることになる。更にEMR定在
波を装置系に供給せしめて弱い負荷ィンピダンス整合を
すると、一般に別のやり方で生ずるよりも多くEMR放
射線漏洩を生ぜしめ、この漏洩が装置系の作業者に潜在
的に有害になる。 従って弱い負荷インピダンス整合は装置系に費用の掛る
漏洩遮蔽装置を必要とすることになる。EMRハイパー
サーミア装置、殊に環状の温熱適用臭装置と粗合せた更
に重要な問題は、弱し、試科ィンピダンス整合が限られ
た部分で試料に望ましくない熱点を生ぜしめるEMRェ
ネルギを集中させようとすることである。 装置系10のような環状適用臭の装置系では断面円形で
なく、試料の他の部分より放出孔22に近い突出部分を
有する人体部分の場合に弱いィンピダンス整合の試料熱
点がこの試料20から生じようとする。試料−孔との離
れが最も少ない部分には弱いインピダンス整合状態であ
り乍ら、多量のEMRェネルギの流れ流路が存在し、最
も近い間隔をとった試料部分に、EMRの高いェネルギ
密度の集中を生ぜしめる。更に試料20‘こ対して最適
EMR周波数〆で良好な試料負荷ィンピダンス整合が行
なわれると、合理的に広い帯域で装置系10を運転でき
ることが分った。 即ち上記記載のようにして最適EM旧周波数ナで負荷ィ
ンピダンス整合が良好であると、装置系10は試料に過
度の熱点を起さず、過度にェネルギ源の出力の要求や放
射の漏洩等なしに、通常ほぼ最適周波数で合理的に広い
周波数範囲にわたり運転される。このような広い帯城系
で運転できることは重要な利点であり、これは所定の適
用具装置12と装置系10をして、普通に人体に出くわ
すと予想された各種の試料の大さと成分に対し有効に使
用をすることができる。 そね故例えば一合の装置12が通常予想される人間体躯
の大さ成分の変化に対して有効に用いられ、かかる個々
の変化に対して最適EMR周波数が選択される。従って
、多くの試料の大さ、型式に対して通常二,三の大さの
適用臭装置12だけあれば足りるので装置系の費用が最
藤になる。一般の試料201こ対して装置12をインピ
ダンス整合さすための出発点は自由空間の特性インピダ
ンスろである。 自由空間のィンピダンスは一平方当り約377オームで
あることは広く知られている。即ち、正方形放出孔から
自由空間への放射時に377オームの負荷ィンピダンス
が“認められる”ことである。然し乍ら孔22のように
放出孔が正方形でないと、別の負荷ィンピダンスが認め
られる。負荷ィンピダンスZoは次式で与えられる。ろ
=h/w377 {5)ここに
hとwは夫々放出孔の高さと中(又は長さ)で放出波の
偏波はhの寸法に平行である。 比h/wは孔の縦横比ということにする。例示として第
3a図に示すように1より小さいh/w比を有する水平
に長いEMR放出孔62は377オームより少ない自由
空間負荷ィンピダンスが認められるし、これに反して第
3b図に示す縦長のEMR放出孔64は377オームよ
り大きい自由空間負荷ィンピダンスが認められる。 それで孔の中wを広げると電気ィンピダンスを並列に加
える効果を持ち、一方孔の高さhを広げると直列に電気
ィンピダンスを加える効果となる。試料20の中のよう
に自由空間以外の媒体に放射する時式‘51‘ま次のよ
うになる。 zm=h/W器オ‐ム ‘6) 滋にZmは媒体のインピダンス、emは媒体の誘電係数
である。 直径Dのある円筒面の孔22に対しては式■は次のよう
になる。 h 377 のZm:−−
−−−mD〆茅 試料は孔22の凡ゆる部分で“認められる”ので試料の
直径dより孔径Dが式{71に用いられる。 更に孔22と試料20の間の間隙Sを水を満した環状魂
26で埋めることで孔雀D全体は試料様の物質で充これ
る。環状塊に用いられる蒸留水の誘電係数は人間組織の
誘電係数に近似している。式{6)と【7}から一たん
試料の誘電係数emが決まると、望まれるどんな負荷ィ
ンピダンスに対しても孔の縦横比の変化を自由に変えら
れる。試料の負荷ィンピダンスZmをこのように自由に
選べるということは、後に明示するように、一般に使用
のEMR電源、伝送線の50オームィンピダンスと整合
する一個以上の50オーム適用具の温熱適用臭装置を作
るようにする利点があり、之等は費用を効果的にして装
置系に用いられる。式‘6},‘7}に用いるため誘電
係数emの適正値を決めるため試料20で例示した物質
の誘電係数は物質の型のみならず放射ェネルギ周波数に
よるものであることが分る。 即ち与えられた試料2川ま別の放射ェネルギ周波数では
装置12に対し違った負滴ィンピダンスを呈し、emの
値は一般的に周波数の増加に伴って減少する。損失物質
の誘電係数は次式で与えられた数値で複素数値e益を含
むよう知られている。e爺=e肌十jem″
‘81e。 emとem″は夫々実数と虚数の誘電係数成分でe。 は自由空間の誘電率である。表 2 組織の誘電係数 誘電係数主義父成分 誘電係数虚数成分 表2には表1の周波数〆に対しH−型物質とL−型物質
につき対応して実数の誘電係数成分と虚数の誘電係数成
分とが表示される。 例えばH−型物質の誘電係数の実数成分emr日と虚数
成分em″日はL−型物質の対応成分emrLとem″
Lより実質的に高く、20山MHZ以上では実数成分が
周波数〆につれて変化が少ないことが分る。式{8}は
複素数譲亀係数e益が負荷インピダンス、又は式【6’
又は‘7}の縦横比を決めるのに用いられるべきだが、
この誘電係数実数成分emrを用いる多くの種類の生物
学的物質に対し之等の式ではZm値(与えられたh/w
比)を生じ、これは実験的に決められた負荷ィンピダン
スに極めて一致することが分る。 装置12の形状決定で式のの説明例として、上記例を進
め、3比机直径の日‐型試料を照射するため10山MH
ZでEMR周波数「が選択されると推定される。 表3から対応する譲亀係数実数成分が71.7であるこ
とが分る。式【71‘こおいてemrをこれに等しい7
1.7で置換すると試料負荷ィンピダンスZmは次のよ
うに説明される。zm=誌x弟詩 ■ Zm=h/D×14.17 (功)式(
望)は例示試料の特性負荷ィンピダンスが44.5オー
ム/平方(h/wが1に等しいとして)である。 使用例を続け、使用される特定適用具装置12が第1図
で並列配置の円形に並べた四個の都片16から作られ、
各部片が50オームのィンピダンスを持つと想定すると
、各装置に対する所望の試料負荷インピダンスは、50
/4オーム、即ち12.5オームであることが分る。 対応する放出孔22の高さ対直径比hノDは式(功)か
ら0.織であることが分る。更に3比流直径の試料に対
し約5山肌の放出孔径Dが好ましいと想定し、対応の最
適の孔高hが負荷ィンピダンス整合に対して44仇であ
ることが決まる。四個の都片16は夫々高さ約44中約
汀×50/4、即ち39.3仇が望ましい。第1図に示
すように各適用臭装置部片16が更に2×2列の四個の
個々の50オームの適用具14、に分割されると、個々
の適用具は夫々約22仇高xl9.7仇中であることが
望ましい。同様に所定又は選定された型の直径(又は断
面積寸法)dを有する組織試料20に対しては、最適の
EMR照射周波数〃ま式【3’と表1から設定される。 前記試料型と設定された照射周波数メから対応の試料誘
電係数は表2から決定される。式‘7}を用いると、試
料負荷ィンピダンスZm、放出孔の高さh又は直径Dは
、試料とィンピグンス整合をするよう設計目的又は制限
にもとずし、て決定される。上記したように放出孔縦横
比h/wは、環状配列の一個以上の50オームィンピダ
ンス適用貝を用いられるように、選定されるのが好まし
い。 上記記載にもとずき適当なEMR周波数〆と照射孔の形
状を選ぶと、この方法は均一の試料EMR加熱に対して
何れの型の適用具又は適用具配列で必ずしも達成されな
かった安全で割合に経済的な態様で理論的実験的に優れ
た結果を呈する。即ち上記記載の方法でEMR照射周波
数と放出孔形状を選択して達成された最適の利益を実施
するため、装置12の適用具14のような個々の適用臭
は夫々適用臭の個々の照射面即ち孔66(第1図)にわ
たり実質的均一のEMR電界を供することを要する。均
一電界の適用臭については、本出願前に本発明者の出願
にかかる米国特許出願番号第002584号のものが第
1図に示す環状の温熱適用具装置12のために用いられ
る。 然し乍ら更に個々の適用具14を複合配列に一体化して
、放出された電界の変化が、殊に個々の適用具14間の
交わり部の隅部で、最小になるようにすると更に都合の
よいことがあることが分る。 このために同期運転される多数の極めて小さい個々の適
用具を用いることは隅部効果が余り表われず試料20に
均一にきちんと分布されることで好ましいと思われる。 実用上極めて多数の4・型の適用具を作り、同期運転す
ることは難かしく費用が掛るばかりでなく、極めて多数
の小型適用臭を環状に配列することは概して実質的に試
料の均一加熱をするには無益である。例示の適用臭装置
12について第1図に示すように同一の鞄方向に重ねた
二個の第一と第二の円形列68,70の適用臭14を用
いることは、例えば人体の胸部と骨盤部という一般に大
直径試料を含んだ多くの型の組織試料に対し、軸方向に
実質的均一なEM旧試料加熱をするために、決められる
。 然し乍ら藤方向高さhが真に長いことを要する人体全部
の放射に対しては更に円形列状の適用具が必要である。
又は後記するようにかかる応用に対しては変形の同軸適
用具形状が好ましい。同様に、試料20の周りを周辺状
に実質的均一に、、EMR試料の加熱をすることは上記
の大径の試料に対してさえも八個の適用貝14を互に接
して円形に並べて成果を得ることが分った。従って例示
の環状適用臭装置12は各列八個の適用具を夫々二列6
8,70に配列した環状配列の1句固の同一適用臭14
を具える。 構造上の簡便と後記から明らかになる他の理由で、装置
12は四個の900の都片16に分割されて示され、各
部片二つずつ並べた八個の適用具14が作られ、各部片
は後記のェネルギ源33から電磁ェネルギを別個に供給
される。このようにして環状の適用臭装置12は1針固
の適用具;4で作られた、複合適用臭の構造で、その放
出孔22は1針固の個々の適用具の放射ェネルギ放出孔
66(第4図)で形成された大体円筒の複合の孔である
。 夫々8個の適用臭の二列に対して隣接した孔66間が1
350で、隣接孔よりの垂線が450となっている。第
5図に示すように、適用臭装置12は夫々上、中(中央
)下の導電環板74,76,78と適用臭装置の関口を
形成する対応の円形内周緑84,86,88とで複合構
造に一体化されている。 板74,76,78は鋼製の接地板形に作られるがよい
。外側導電板90は上下の板74,78の外周縁94,
98に夫々電気的に接続され、装置12を後記のように
直/並列EMRヱネルギ受入れ部100の外側で取囲む
(第6図)。このEMR受入れ部100をよく示すため
には第5図で外側板90が大きくく切取られている。適
用臭14は第6図図示のように、適用臭装置12が中板
76で作られた中央軸板102の周りに滋対称であるよ
うに作られるのがよい。 第一適用臭列68の第一適用具14aはラッパ状アンテ
ナ構造の内向放射状で円周方向に末広がりの第一と第二
の軍板108,110を具えている。第一板108の放
射状内縁112は上板74の内周縁84と亀接される。
同様に第二板110の放射状内縁114も中板76の内
周緑86と電接する。同様に第二適用臭列70の第二適
用臭14bは第一と第二の末広がりの導電板116,1
18を夫々具え、その放射状内縁が下坂78と中板76
の緑88と86に夫々電嬢されている。対なる板108
,110と116と118の間の末広がり中と間隔は例
えば50オームの一定適用具ィンピダンス維持のため選
定された。第二板110と118の放射状外端120,
122は夫々八角形の導電板124で相互に電接され、
導電板124は外側板90と同0で放射状に内側と間隔
をおいており、装置12の軸方向高さの約1/3だけ延
びている。 適用具上板108と110の発散側は、非電導矩形の第
一と第二の側板134,136で閉ざされ(第5図)、
この側は樹脂ガラスのような硬い誘電物質で作られるの
がよい。同様の誘電材の側板が下部適用臭14bの側部
を囲むのに用いられる。第一と第二の全適用臭14aと
14bの放射ェネルギ放出孔66も誘電材の矩形板13
8で閉ざされ(第6,7図)適用臭を完全に閉じる。第
二伝送線38から各適用具用の部片16のヱネルギ分配
部100を通して適用具14(14aと14b)の夫々
のEMR入力部に電磁ェネルギが供給される。平行板伝
送線である分配部100により各部片16と組合つてい
る第二伝送線38は組合さされた4個の個々の適用臭1
4の夫々と接続されている。四個のEMR分配部100
の夫々(一つだけ図示)は大体“H”型で夫々第一と第
二の導電片140,142を有す。 導函片140,142の中央から放射状外向に突出して
短か〈て離れて置かれた耳片、即ちタブ144,146
があり、この耳片に伝送線38(便宜上同軸ケーブルで
示す)が接続されている。外側ケーブル導体148は第
一の耳片144に亀接され、内側ケーブル導体150は
耳片144,146間の間隙152を超えて、第二耳片
146に亀接される。間隙152の中は公知の方法で伝
送線38とィンピダンス整合するよう選ばれ、例えば5
仇の広い耳片144と146,50オームの伝送線38
インピダンスと仮定して約1肌である。第5図に例示的
に明示せる第二導電片140を検討すると、この片は小
郡分164と有して、この部分に第二耳片146が八角
形に形成されている。 導電片部164は適用具軸24に平行で内板124に2
5オームの平行板EMR伝送線を形成する間隔をおいて
放射方向に近接している。導電片142は第一適用具1
4aのEMR入力区域とは円周面で揃って、耳片146
から軸方向に少し離れて、夫々左右の部分166,16
8(第5図)に分れ、、之等部分は板124と放射状に
間隔をとって適用臭14aに延びて平行板の伝送線を形
成する。 部分166,168と板124間の最初の間隙170は
、25オ−ムのインピダンスを供し、その間隔は二つの
関連適用具14aに対して50オームの整合ィンピダン
スを具える広い間隙172を作るよう段部となっている
。部分166と168の中を5肌とすると、間隙170
と172は夫々0.5弧と1肌である。スチレンフオー
ム片のような低誘電性間隔子174が間隙172で導体
を分離として保持するのに用いられる。部分166と1
68の両端は夫々八角形部分176,178であってこ
の部分は鞠方向に延びて上板74と亀接している。然し
乍ら二つの適用臭14aのEMR分配部の先には、八角
形部分176,178が軸万向に延びて内板124の上
端緑180を超え、部材142と前記上端縁で止る内板
124との間で平行板の伝送線を作る。第6図から分る
ように矢印“A”で示したEMR入力路は導片166,
176と内板124の交叉区域の間で左側適用臭14の
入力部分に形成される。同じくEMR路が右側適用具1
4aに、両側で同じく適用臭14bにも作られる。(矢
印“B”)。放射状の硬い板182が導片166と16
8を横切って取付けられ、内板124と間隙を保つのが
分る。同じような導片が第二導軍部材142の対応部分
に取付けられる。電磁ェネルギを伝送路38から下部の
二つの適用具14bに供する第一導片140は記載した
導片142の鏡像関係として作られる。それで第一導片
を更に記載はしない。都片EMR分配部100への伝送
線38のEMR結合による干渉は外側導電板90を耳片
144,146の端から外側に少くとも間隙152の中
の約5倍例えば上記1伽間隙に対して少くとも約5肌に
等しい距離だけ離すことで避けられる。 記載したEMR入力部100の形状では、ェネルギ源3
2から適用臭用の部片16を有する個々の適用具14(
14a十14b)に至る装置系全体101こわたり50
オームのィンピダンス整合が維持される(第8図)。然
し乍ら四個の適用具部片16が電気的に並列であるので
、適用貝装置12自体は12.5オームのインピダンス
しか持たない。それでニュージャージー州リビングスト
ンのマイクロラブノFXRから求められる標準型無効電
力分割器を含む線分割子36も、ィンピダンス整合をす
る。更に環状のの適用臭装置12は誘電流体流路184
を具え、、該流路を蒸溜水のような誘電流体が閉じた適
用臭14(14aと14b)に、又は少くともそのEM
R放出部分に供給されて流される。 流体を流すため流路184は二重であり、又は適用具1
4の間に流れ関口(図示せず)が設けられる。適用具1
4に流体誘電体を用いることで、適用具の50オームの
特性ィンピダンスが他のやり方よりも都合よく行われる
。 又ポンプ186(第1図)で適用具14に誘電流体を流
して適用具と試料20の表面部分を冷却することもでき
て、試料の特性で時によっては望ましく、又は必要であ
るとして、試料の全直径dにわたり試料加熱の均一性を
増進できる。適用臭14を誘電流体で充たすことは各適
用具のEMR入力区域を誘電素子188で閉じて行なえ
る。譲電流体として蒸溜水を費用を掛けずに簡便に用い
うるために、適用臭内に薄い誘電板又は誘電片190を
間隙をおいて多数並べられる。 適用臭全体を横切って延びる之等の部片190は色々の
長さを有し、都片は前側の孔板138から延びて、適用
具装置の鞠中心からの距離が延びると適用臭の軸24か
ら離れる距離が徐々に短かくなる。適用臭の板108,
110,116,118の内面に取付けられた誘電材の
薄板192に関し譲露片190は適用臭の軸24に向け
固体誘電材の厚みを増すような形状になっている。この
点に関し図示の形の構造では適用具14は約斑の誘電係
数を有する物質で充これるのがよいことが決った。 流体の流れを冷やすためには液状譲軍物質が好ましい。
約斑の誘電係数を有する液体は容易に求められず、比較
的高価である。従ってこれに代えて約78の誘電係数を
有する蒸溜水を用いるのが都合がよい。これは固体誘電
体の厚い蝶を用いずに誘電片192と板190を用いて
行なえる。これは均一のェネルギ分布を保つのに立t)
。次式は適用臭のある横断面で全体の厚さtに対する所
要の譲電体の厚み幻に関するものである。 ここにerは所望の誘電係数(例えば上記した総)、e
dは固体の誘電係数(例えば、樹脂ガラスで約2.2)
である。78は水の誘電係数を示す。 それで上記の譲係数について、比td/ttは約0.0
87に等しい。これは適用臭14の高さ(tt)が軸2
4に向け高くなると、固体誘電体(td)の厚みは一定
の複合譲電係数(er)を保つためには厚くしなければ
ならないことを示す。通常固体誘電体の厚みに対し所望
される厚みの増加を行なうのは適用臭板108,110
,116,118に裸状で誘電体の板192を作ること
で、この板は鼠24に近ずくにつれて上記の関係から厚
みが厚くなるようにしている。 然し乍ら放出孔66の機縁に近接して比較的厚い誘電体
部分があると、誘電体を通して好ましくない電界の不連
続性又は混乱がある。誘電体と組合つて電界の不連続を
避けつつ穣状に固体誘電体を適正に作るには、段付の誘
電体片190が適当長さで作られ、0.87のtd/t
t比を満すために適当に間隔をとると各誘導片で放出さ
れた電界不連続性が組織加熱の均一性に殆んど悪影響を
与えない。 夫々ェネルギ源32に個々に接続された四個の適用臭部
片16を組込んだ重要な利点は、試料20を不均一に加
熱することが必要な時、EMR組織加熱の型を試料20
の周りでずらすことができるということで、これは例え
ば一個以上の線路伸長子40を操作して部片間のEMR
位相を変位させて試料へのェネルギ密度の型をずらす同
期運転を行なうことである。 又例えば4本全部の二次線38の代りに1本、2本又は
3本の二次線38に分割する線分割子を用いて、部片1
6の何れかのものとェネルギ源32を接続すると試料の
加熱型が一つ又は複数個の放出適用具に向けずらされる
ことであるし(第9図の変形例) 第9図は温熱適用臭装置系198の第一変形例である。 この変形装置系198では六辺形の適用具装置200は
六個の適用具部片202環状に互に接して配置したもの
で、各部片は線分割子206から二次伝送線204によ
って個々にEMRェネルギを受けている。この分割子2
06は又一次伝送線210でEMRェネルギ源208に
接続されている。六個の適用臭部片202の隣合ったE
MR放出孔212は軸方向の試料受入関口216の周り
‘こほぼ円筒状の放射線放出の複合の孔214を形成し
ている。 各部片202は上記個々の適用具14と類似に作られた
単一適用具を具えている。それで装置200は六個の単
一適用臭からなる単一円周列を形成する。六辺形の装置
200の上下の環状導電性接地板224,226は前記
適用臭装置12の上下の板74と76にほぼ対応する。 板224と226の外周緑に電気的に接続された外側導
電板228は前記の外板9川こ対応する。部片202の
EMRェネルギ受入部分は、前記の部片16のEMRェ
ネルギ受入部1001こ結合した同軸線と同じように、
同軸平行板伝送線結合手段230で同軸線204に接続
されているが、“H”型の電力分割配分部分を必要とし
ない。各部片202が50オームEMR適用臭を具えて
いると六辺形適用臭装置の合成ィンピダンスは50/6
則ち8.33オームで、これはEMR放出装置214に
ついて認められる(又は具える)べき受入試料の負荷イ
ンピダンスZmである。図示の例として8$オームの装
置200が20伽直径の試料照射に適していると仮定す
ると、最適照射周波数波長(式■から)は約13乃至4
0肌の間にあるべきことが解る。 表1は約loo乃至2仰けHZの対応するEM旧照射周
波数〆を示す。想定したH型物質において20印MHZ
に等しい周波数〆に対しては物質の誘電係数erhは表
2から56.5である。放出孔214に対する約25肌
の直径で好ましい孔の高さhは8紙オームの試料負荷イ
ンピダンスZmに対し式(望)から計算して次の如くな
る。h=雫穿ち (11) 即ち約13.0肌となる。 ほぼ円筒体部分の均一EMR加熱に対しては、軸方向に
長い加熱の型が不用の時は一列の六角型適用臭装置20
0が直接適用される。 前記した四個にわけられた1針固の適用臭装置12に対
し六辺形の装置200の利点は大に単純化されて、製作
費が藤いことである。装置200の運転は部片202の
変位操作及び/又は部片個々の変位操作の点では、適用
臭装置12について記載したのと類似である。冷却流れ
装置付の流体誘電体の充填材も装置12につき態様で装
置200にも設けられているが、これについては図示さ
れていない。(第10図と第11図の変形例)第10図
と第11図は本発明による第二変形のEMRハイパーサ
ーミア装置系250で単一伝送線256でEM旧ェネル
ギ源254に接続された同軸の温熱適用具装置252を
有している。 線路256は通常の50オ−ム同軸ケーブルであるのが
よい。同軸の適用臭装置252は同軸の内外の導電殻2
58と260を具え、之等両方の殻は円形の横断面をし
ている。 内外の殻258と260の間の空間には何処にも装置2
52に沿い例えば50オームの均一特性ィンピダンスを
設定するように保たれている。同軸伝送線の特性ィンピ
ダンスZoに対して適当な殻間隔が次式によって決定さ
れる。乙=麓職湾 (12)ここにeは内外の殻
258と260間の物質の誘電係数、d(外)d(内)
は夫々殻の断面直径である。 この装置252のように空気充填の同軸伝送線に対して
はeは1に等しい。外殻258は円錐の放放射状発散の
EMR入力部分266を具え、小径の入力部は線路25
6の外側導体268に電気的に接続される(第11図)
。 ほぼ円筒外殻の一端で中間部分27川ま円錐部分266
の末広がり端に電気的に接続されている。放射状内向、
即ち、収束した環状の端部272は中間部分270の他
端に接続されている。中間部分270の入口と末端区域
274と276は夫々円錐部266と中間部270及び
中間部270と端部272の間で滑らかにEMR転移が
行なわれるよう発散及び収束されるのがよい。内殻26
0も同様に円錐で放射状発散する入口部282を有し、
その小径の末端は伝送線256の内側導体284に電気
的に接続されている。円錐部282の末広がり端には小
円筒部286の一端が接続されている。放射状内向、即
ち、収束する環状端の部分288は中間部286の池端
に接続されている。轍方向に間を置いて離れた二個の端
子部分272と288の内周縁290と292は直径D
の軸方向試料受入の適用臭閉口294を形成する。 内殻の末端部288を鍬方向に超えて伸びる外殻に末端
部272のため直径Dで、軸方向高さhの環状EMR孔
296が両端部分の間に形成される。孔296と関口2
94は末端部の内縁290と292間に置かれた管状非
導電部材298で形成される。適用臭装置252が同軸
形であるため試料受入開□294は装置全体に亘つて延
びていない。 その代りほぼ円錐で非放射の軸方向室300が内殻28
2内で放出孔296の手前に形成される。例えば第11
図図示のように、同軸装置252が人体304の胴部位
を照射する大さとなっていると、体の脚部分360は室
300内に入るが照射されない。装置252は一個の温
熱適用臭を具えるので、装置関口294に受入れられた
試料の負荷ィンピダンスは装置の特性ィンピダンスに等
しいことが好ましい。 図示の例として50オームの適用臭特性ィンピダンスを
仮定して50オーム伝送線256とェネルギ源254と
を整合させるため50オームの試料負荷インピダンスZ
mが好ましい。更に装置252用の人体全体の大さを想
定して、代表的な直径dである5ルネの人体胴部分を受
入れるために約55かの放出孔直径Dが選定される。対
応する好ましい放射ェネルギ周波数〆は装置12につい
て前記した方法で10加MHZであると決められる(表
1参照)。式(11)に置換すると放出孔296の高さ
hに対し次式が得られる。h=学穿XノeM (
13) H−型試料と想定すると、1皿MHZにおけるemrの
値は表2から71.7でこの値は約194節の適用具の
高さで普通人の高さを丁度超えるものである。 何れの種類の試料に対しても同軸の適用臭装置252と
大径の組織試料の間で良好なィンピダンス整合を行なう
のには、装置が鞠方向に長いことを要するもので、この
ことは特に装置の所要外径が孔の鞠方向高さhに近似す
るので、この種の適用具形状に不都合である。更に放出
孔296が鋼方向に相当の高さであるため、放射ェネル
ギが軸方向に均一であっても受入れ試料へのEMRの麹
方向に若干不均一性があることが予想される。これは胸
部、骨盤部区域のような、又は違った断面の試料“充填
率”のため軸方向に違った試料区域における構成成分の
変化にもとずくものである。けれども空隙をなくすため
装置部材298と人体のような試料304の間に蒸溜水
充填の環塊310のような流体誘電体で、少くとも若干
の充填率の変化は通常補正される。同軸の適用臭装置2
52の優れ利点は、人体全部を急速加熱することを要す
る場合に重要であるように、円周辺で鞠方向への均一E
MRェネルギ分布が通常孔296に沿ってその周りで行
なわれることである。 例えば人体全体のハイパーサーミアのためにEMRェネ
ルギを均一に分布さすことは、池種の治療又は低温露出
と組合せたハイパーサーミア状態から患者の体温を急上
昇さすことで重要である。適用臭装置252の他の利点
は例えば例示した適用臭装置12に比して構造が比較的
単純である。 上記若千の適用具装置12,200,252並びに之と
組合されたEMRハイパーサーミア装置系10,198
,250は、試料の大さや型によって照射周波数ナを選
択し、適当な放出孔の形によって試料と適用臭の良好な
ィンピダンス整合を成立させて、生物学的組織試料を実
質的に均一で集中した時間にEMR加熱を生じさせる上
記記載の方法を行なうことを例示的に説明したものであ
る。 特定設計条件下で良好なィンピダンス整合をすることは
、使用に当って常時遭遇する実際の試料の大さと形の変
化に適応することが屡々望まれるように前記のような設
計条件で有効且つ比較的広範囲の帯城での運転ができる
ことも力説される。(発明の効果) 既に本発明の背景で述べたように本発明のハイパーサー
ミア装置系では、その温熱適用具の閉口に挿入した生物
学的組織をその周囲から電磁放射ェネルギで照射加熱す
る際に、組織表面を極めて高温に加熱せずとも組織の深
部を直接41.5乃至4300という比較的高い温度に
加熱することができる。 それによって表面組織又は健康な組織を害することなく
目的とする深部の悪性腫場のみを加熱し破壊することが
できる。又その際組織と開口の周囲に蒸溜水充填の環塊
のような流体誘電体を介在させることで試料表面を冷却
し乍らェネルギの使用効果をよくし、従釆達成が困難な
照射を小ェェネルギで行うことがでる。尚、本発明が有
利に用いられる方法を説明するため、本発明による環状
電磁波放射のハイパーサーミア装置系、及び装置の上記
各種の侍定した配備を記載したが、本発明はこれ等のみ
に限定されるものではない。 従って当業技術者に思浮ぶ変形、変更又は均等の何れか
の又は全体の配備も特許請求の範囲で限られた発明の範
囲内にあるものと考察さるべきである。
[4' finally d
is the diameter of the sample or a characteristic cross-sectional dimension of the sample, H/L is the applicable frequency in H-type material or L-type material, depending on the sample type, and H is the corresponding wavelength of the sample. It is observed that if the EMR frequency cutoff is chosen such that ^H/L is greater than about twice the sample diameter, it is difficult to obtain impedance matching and there is little improvement in the heating of the central part. In contrast, if ^H/L is about 2/3 or less of the sample diameter,
Hot spots are observed to occur off-center, as are cold spots elsewhere. However, if the applied frequency is chosen such that the corresponding wavelength is within the range given by Equation '41, the undesirable minimum 'hot and cold spots will be substantially added to the central part while producing them in other parts. It can be seen that thermal heating occurs. Procedurally, if the sample diameter is d, the optimal EMR wavelength range is determined by Equation '41. The optimal EMR frequency range for EMR heating of the sample is selected from Table 1, which displays the input and input L for type 1 and L-type materials for various corresponding EMR frequencies. As shown in the figure, for a sample diameter d of approximately 33 arcs, which corresponds to the diameter of a general adult's chest or pelvis, Equation '41 is approximately 22 to 6 & that wavelength / L is the heating uniformity of the sample over the grain. Indicates that it will be selected against. Considering that the sample contains both H-type and L-type parts due to various skin layers, muscles, fat, and bones, Table 1 shows that the corresponding EMR frequency na of about 10 MHZ is for sample irradiation. It is often selected as the wavelength corresponding to the occasion ^ day is 27 skin, ^
L is 06, which is close to the optimal wavelength range of 22 to 66 skin. Table 1 shows 10 times HZ for a pure daily type sample.
Lower frequency na below can also be chosen, pure L-
It is shown that frequencies greater than 10 MHZ can also be chosen for mold samples. It can also be seen from Table 1 that, by way of example, for small diameter samples a high frequency is required to correspond to a low optimum H/L range in combination with the small diameter. By way of example, to perform uniform EMR hyperthermia on a limb with a diameter of about 20 mm, from equation {4} the wavelength is between about 13 and 14 arcs, and Table 1 shows the frequencies of EMR radiation of about 20 MH2. This indicates that it is preferable to select From the above, 13.5; 27.12: 40.68: 915; 2
The FCC-assigned diathermy frequency of 450:Moth 00:20129MHZ is optimal for EMR heating of anything other than relatively large or small samples in an annular thermal application odor device such as Device 12. It turns out that it is not. Furthermore, using diathermy frequencies such as those assigned by the FCC for common sample sizes is expected to result in undesirably high thermal gradients and/or undesirably hot and cold spots in the sample. Assuming that an optimal EMR heating frequency or frequency range has been selected for the system 10 according to the procedure described above, it is important to provide a good impedance match between the applied odor system 12 and the sample 20 packed into the system. Important considerations remain. Matching the impedance between the device 12 and the sample 20 means determining the size of the fake emission hole 22 according to the size and characteristics of the sample at the selected EM old frequency, as will be described later. Impedance matching between device 12 and sample 20 is important for a variety of reasons, some of which are well known to those skilled in the microwave arts. Without good indirection matching between the emitter and the load,
For example, it is known that applied EMR energy is reflected from the load into the emission system. A combined effect of the described EMR system 10 is that the transmission line 34 typically requires costly tuning means (not shown) near the energy source to protect the energy source 32 from reflected wave energy. Furthermore, equipment system 101
Since the energy from this established resultant standing wave must be dissipated as heat into the system, an unnecessarily expensive thermal resistance system component is also required to add to the system cost. Despite the impedance matching of the apparatus 12 to the sample 20, the apparatus system 10, when equipped with the tuning means and thermal resistance components described above, is capable of providing the amount of EMR power to the sample required for EM hyperthermia. is usually overexcited. However, if this overexcitation is provided, the energy source 32 must be equipped with equipment that requires a higher output than is required for good impedance matching conditions, and the equipment system 10' will also have additional costs. Become. Furthermore, feeding EMR standing waves into equipment systems with weak load impedance matching generally results in more EMR radiation leakage than would otherwise occur, and this leakage is potentially harmful to equipment system personnel. . Weak load impedance matching therefore requires expensive leakage shielding devices in the system. An even more important problem with EMR hyperthermia devices, especially in conjunction with annular thermally applied odor devices, is that they weaken and concentrate the EMR energy in areas with limited impedance matching, creating unwanted hot spots on the sample. That is to say. In an annular applied odor device system such as device system 10, a sample hot spot with weak impedance matching is generated from this sample 20 in the case of a human body part that is not circular in cross section and has a protruding portion closer to the discharge hole 22 than the rest of the sample. try to arise. Although there is a weak impedance matching state in the part where the distance between the sample and the hole is the smallest, a large amount of EMR energy flow channel exists, and a high energy density of EMR is concentrated in the part of the sample that is the closest to the hole. give rise to Furthermore, it has been found that if good sample load impedance matching is achieved for the sample 20' at the optimum EMR frequency, the system 10 can be operated over a reasonably wide band. In other words, if the load impedance matching is good at the optimum EM old frequency as described above, the device system 10 will not cause excessive hot spots on the sample, and will not excessively require the output of the energy source or leak radiation. without, usually operating over a reasonably wide frequency range at approximately the optimum frequency. The ability to operate with such a wide range of systems is an important advantage, as it allows a given applicator system 12 and system 10 to be adapted to the size and composition of the various samples that would normally be encountered in the human body. It can be used effectively. Thus, for example, a single device 12 can be used to advantage for normally expected variations in the size components of the human body, and the optimum EMR frequency selected for each such variation. Therefore, for many sample sizes and types, only a few sizes of applicable odor devices 12 are usually sufficient, which reduces the cost of the device system. The starting point for impedance matching the device 12 to a typical sample 201 is the free space characteristic impedance filter. It is widely known that the impedance of free space is approximately 377 ohms per square. That is, a loading impedance of 377 ohms is "seen" when radiating from the square emission hole into free space. However, if the discharge hole is not square, such as hole 22, a different loading impedance will be observed. Load impedance Zo is given by the following equation. ro=h/w377 {5) Here, h and w are the height and middle (or length) of the emission hole, respectively, and the polarization of the emitted wave is parallel to the dimension of h. The ratio h/w is defined as the aspect ratio of the hole. By way of example, a horizontally elongated EMR vent 62 with an h/w ratio less than 1, as shown in FIG. EMR vent 64 is allowed to have a free space loading impedance of greater than 377 ohms. Therefore, widening the inside of the hole w has the effect of adding electrical impedance in parallel, while widening the height h of the hole has the effect of adding electrical impedance in series. When radiating to a medium other than free space, such as inside the sample 20, the equation '51' is as follows. zm=h/W device Ohm '6) Furthermore, Zm is the impedance of the medium, and em is the dielectric coefficient of the medium. For a hole 22 on a cylindrical surface with a diameter D, equation (2) becomes as follows. Zm of h 377:--
---mD〆Since the sample is "observed" in all parts of the hole 22, the hole diameter D is used in equation {71 rather than the sample diameter d. Furthermore, by filling the gap S between the hole 22 and the sample 20 with the annular soul 26 filled with water, the entire peacock D is filled with the sample-like substance. The dielectric coefficient of distilled water used in the annular mass is close to that of human tissue. Once the dielectric coefficient em of the sample is determined from equations {6) and [7}, the aspect ratio of the hole can be freely varied for any desired load impedance. This ability to freely select the load impedance Zm of the sample means that, as will be shown later, the thermal application odor of one or more 50 ohm applicators that matches the 50 ohm impedance of the commonly used EMR power source and transmission line It has the advantage of making the device more cost effective to use in the device system. In order to determine the appropriate value of the dielectric coefficient em for use in equations '6} and '7}, it can be seen that the dielectric coefficient of the material exemplified in sample 20 depends not only on the type of material but also on the radiant energy frequency. That is, different radiant energy frequencies for a given sample will present different negative drop impedances to the device 12, and the value of em will generally decrease with increasing frequency. It is known that the dielectric coefficient of a lossy material is a value given by the following equation and includes a complex value e gain. e grandpa = e skin ten jem''
'81e. em and em'' are the real and imaginary dielectric coefficient components, respectively, and e is the permittivity of free space. On the other hand, a real dielectric coefficient component and an imaginary dielectric coefficient component are displayed correspondingly for the H-type material and the L-type material. For example, the real component emr day and the imaginary component em'' day of the dielectric coefficient of the H-type material. are the corresponding components emrL and em″ of the L-type substance
It can be seen that the real number component changes little as the frequency decreases above 20 MHZ, which is substantially higher than L. Equation {8} shows that the complex number concession coefficient e is the load impedance, or the equation [6'
or '7} should be used to determine the aspect ratio,
For many types of biological materials using this dielectric coefficient real component emr, these equations calculate the Zm value (given h/w
ratio), which is found to be in close agreement with the experimentally determined load impedance. As an illustrative example of the formula for determining the shape of the apparatus 12, proceeding with the above example and using 10 molar MH to irradiate a 3 molar diameter day-type specimen
It is estimated that the EMR frequency " is selected at Z. From Table 3, it can be seen that the corresponding concession coefficient real component is 71.7.
1.7, the sample loading impedance Zm is explained as follows. zm = magazine x younger brother's poem ■ Zm = h/D x 14.17 (gong) formula (
The characteristic load impedance of the exemplary sample is 44.5 ohms/square (assuming h/w equals 1). Continuing with the example of use, the specific application device 12 used is made of four pieces 16 arranged in a circle in parallel arrangement in FIG.
Assuming that each piece has an impedance of 50 ohms, the desired sample loading impedance for each device is 50 ohms.
/4 ohm, or 12.5 ohm. The height-to-diameter ratio h and D of the corresponding discharge hole 22 is 0. It turns out that it is woven. Further assuming that a discharge hole diameter D of about 5 peaks is preferred for a sample of 3 specific current diameters, the corresponding optimum hole height h is determined to be 44 degrees for load impedance matching. It is preferable that the four pieces 16 each have a height of approximately 44 mm × 50/4, that is, 39.3 mm. As shown in FIG. 1, each applicator piece 16 is further divided into 2 x 2 rows of four individual 50 ohm applicators 14, each of which is approximately 22 feet high xl9. .7 It is preferable to be an enemy. Similarly, for a tissue sample 20 having a predetermined or selected mold diameter (or cross-sectional dimension) d, the optimum EMR irradiation frequency is set from equation [3' and Table 1]. The sample dielectric coefficient corresponding to the sample type and the set irradiation frequency is determined from Table 2. Using Equation '7}, the sample loading impedance Zm, the height h or the diameter D of the discharge hole are determined based on design objectives or limitations to achieve impingance matching with the sample. As mentioned above, the ejection hole aspect ratio h/w is preferably selected such that one or more 50 ohm impedance application shells in an annular arrangement can be used. By choosing an appropriate EMR frequency cutoff and irradiation aperture shape based on the above description, this method provides a safe and uniform sample EMR heating that has not always been achieved with any type of applicator or applicator arrangement. It exhibits excellent theoretical and experimental results in a relatively economical manner. That is, in order to carry out the optimum benefits achieved by selecting the EMR irradiation frequency and ejection aperture shape in the manner described above, each individual applied odor, such as the applicator 14 of the device 12, has a separate illumination surface of the applied odor. That is, it is necessary to provide a substantially uniform EMR field across hole 66 (FIG. 1). As for the application of a uniform electric field, that of U.S. patent application Ser. However, it is even more advantageous to integrate the individual applicators 14 into a composite array so that the changes in the emitted electric field are minimized, especially at the corners of the intersections between the individual applicators 14. It turns out that there is. For this purpose, the use of a large number of very small individual applicators operated synchronously seems preferable, since corner effects are less apparent and the sample 20 is uniformly and neatly distributed. In practice, not only is it difficult and expensive to make and synchronize a very large number of 4-type applicators, but arranging a very large number of small applicators in a ring generally results in virtually no uniform heating of the sample. It is useless to do so. The use of two first and second circular rows 68, 70 of applied odor 14 stacked in the same bag orientation as shown in FIG. For many types of tissue samples, including generally large diameter samples, the EM sample heating is determined to be substantially uniform in the axial direction. However, for irradiation of the entire human body, which requires a truly long vertical height h, a circular array of applicators is required.
Alternatively, a modified coaxial applicator configuration may be preferred for such applications, as described below. Similarly, heating the EMR sample substantially uniformly around the circumference of the sample 20 can be achieved by arranging the eight application shells 14 in a circle in contact with each other, even for the large diameter samples described above. I found that I was getting results. Thus, the exemplary annular applicator 12 has two rows 6 of eight applicators in each row.
8, 70 circular arrays with the same applied odor 14
Equipped with. For convenience of construction and for other reasons that will become apparent below, the device 12 is shown divided into four 900 pieces 16 to form eight applicators 14, two of each piece. Each piece is separately supplied with electromagnetic energy from an energy source 33 described below. Thus, the annular applied odor device 12 is a composite odor applied structure made of one needle applicator; (FIG. 4) is a generally cylindrical compound hole formed. 1 between adjacent holes 66 for two rows of 8 applied odors, respectively.
350, and the perpendicular from the adjacent hole is 450. As shown in FIG. 5, the applied odor device 12 has upper, middle (center) and lower conductive ring plates 74, 76, 78, and corresponding circular inner circumferential green plates 84, 86, 88 that form the entrances of the applied odor device. and are integrated into a composite structure. Plates 74, 76, 78 may be made in the form of steel ground plates. The outer conductive plate 90 includes the outer peripheral edge 94 of the upper and lower plates 74 and 78,
98, respectively, and surround the device 12 on the outside of the series/parallel EMR energy receiver 100 as described below (FIG. 6). To better illustrate the EMR receiving section 100, the outer plate 90 has been cut away in FIG. The applied odor 14 is preferably constructed such that the applied odor device 12 is symmetrical about a central axis plate 102 made of a middle plate 76, as shown in FIG. The first applicator 14a of the first applicator array 68 includes first and second arms 108, 110 having a trumpet-like antenna structure and radiating inwardly and expanding toward the end in the circumferential direction. The radial inner edge 112 of the first plate 108 is in contact with the inner circumferential edge 84 of the upper plate 74 .
Similarly, the radial inner edge 114 of the second plate 110 is also electrically connected to the inner circumferential green 86 of the middle plate 76 . Similarly, the second applied odor 14b of the second applied odor row 70 is applied to the first and second spreading conductive plates 116,1.
18, whose radial inner edges are the lower slope 78 and the middle plate 76.
Midori 88 and 86 are the electricians, respectively. Opposing board 108
, 110 and 116 and 118 were chosen to maintain a constant application impedance of, for example, 50 ohms. radial outer ends 120 of second plates 110 and 118;
122 are electrically connected to each other by an octagonal conductive plate 124,
Conductive plate 124 is coextensive with outer plate 90 and radially spaced from the inner side and extends approximately one third of the axial height of device 12. The divergent sides of the applicator top plates 108 and 110 are closed by non-conductive rectangular first and second side plates 134, 136 (FIG. 5);
This side is preferably made of a hard dielectric material such as resin glass. Side plates of similar dielectric material are used to surround the sides of the lower application odor 14b. The radiant energy release holes 66 of the first and second all-applied odors 14a and 14b are also made of a rectangular plate 13 made of dielectric material.
8 (Figures 6 and 7) to completely close off the applied odor. Electromagnetic energy is supplied from the second transmission line 38 to the respective EMR input of the applicator 14 (14a and 14b) through the energy distribution section 100 of each applicator section 16. A second transmission line 38 associated with each section 16 by means of a distribution section 100, which is a parallel plate transmission line, is connected to the four individual application odors 1 in combination.
It is connected to each of 4. Four EMR distribution units 100
(only one shown) is generally "H" shaped and has first and second conductive pieces 140, 142, respectively. Short ears or tabs 144, 146 projecting radially outward from the center of the guide box pieces 140, 142 and placed at a distance.
A transmission line 38 (shown as a coaxial cable for convenience) is connected to this ear piece. The outer cable conductor 148 is connected to the first lug 144, and the inner cable conductor 150 is connected to the second lug 146 across the gap 152 between the ears 144,146. The gap 152 is selected to impedance match the transmission line 38 in a known manner, e.g.
wide ear piece 144 and 146,50 ohm transmission line 38
Assuming impedance, it is approximately 1 skin. Considering the second conductive piece 140, which can be exemplarily shown in FIG. 5, this piece has a sub-section 164 in which a second lug 146 is formed in an octagonal shape. The conductive piece portion 164 is parallel to the applicator axis 24 and is attached to the inner plate 124.
They are radially closely spaced to form a 5 ohm parallel plate EMR transmission line. The conductive piece 142 is the first application tool 1
The EMR input area of 4a is aligned with the circumferential surface of the ear piece 146.
The left and right parts 166, 16 are located a little apart in the axial direction from the left and right parts, respectively.
8 (FIG. 5), which extend radially apart from the plate 124 to the application 14a to form a parallel plate transmission line. The initial gap 170 between portions 166, 168 and plate 124 provides an impedance of 25 ohms, and the spacing is such that it creates a wide gap 172 with a matching impedance of 50 ohms for the two associated applicators 14a. It has a stepped section. If the inside of parts 166 and 168 are 5 skins, the gap 170
and 172 are 0.5 arc and 1 skin, respectively. A low dielectric spacer 174, such as a piece of styrene foam, is used to keep the conductors separated in the gap 172. Part 166 and 1
Both ends of 68 are octagonal portions 176 and 178, respectively, which extend in the direction of the ball and are in contact with the upper plate 74. However, beyond the EMR distribution portions of the two applied odors 14a, octagonal portions 176, 178 extend in all axial directions and extend beyond the upper end green 180 of the inner plate 124, and the member 142 and the inner plate 124 stop at the upper edge. Create a parallel plate transmission line between. As can be seen in FIG. 6, the EMR input path indicated by arrow "A"
176 and the intersection area of the inner plate 124 is formed at the left side applied odor 14 input portion. Similarly, the EMR path is on the right side application tool 1.
4a, the same applied odor 14b is created on both sides. (Arrow “B”). The radial hard plate 182 connects the conductors 166 and 16.
It can be seen that it is attached across 8 and maintains a gap with the inner plate 124. Similar conductors are attached to corresponding portions of second guide member 142. The first conductor 140, which provides electromagnetic energy from the transmission line 38 to the lower two applicators 14b, is made as a mirror image of the described conductor 142. Therefore, the first conductor will not be described further. Interference due to EMR coupling of the transmission line 38 to the ear piece EMR distribution section 100 will cause the outer conductive plate 90 to extend outwardly from the ends of the ear pieces 144, 146 at least about five times into the gap 152, e.g. This can be avoided by keeping them at least a distance equal to about 5 skins apart. In the configuration of the EMR input section 100 described, the energy source 3
2 to an individual applicator 14 with a piece 16 for applied odors (
14a-14b) Entire equipment system 101 Broken 50
Ohmic impedance matching is maintained (Figure 8). However, because the four applicator sections 16 are electrically parallel, the applicator device 12 itself has an impedance of only 12.5 ohms. Line splitter 36, which includes a standard reactive power divider from Micro Labno FXR of Livingston, New Jersey, therefore also provides impedance matching. Furthermore, the annular applied odor device 12 has a dielectric fluid channel 184.
to the applied odor 14 (14a and 14b), the flow path of which is closed by a dielectric fluid such as distilled water, or at least its EM
R is supplied to the discharge section and flushed. The channel 184 is double to allow the fluid to flow, or the applicator 1
A flow entrance (not shown) is provided between 4 and 4. Application tool 1
By using a fluid dielectric at 4, the 50 ohm characteristic impedance of the applicator is more convenient than would otherwise be possible. Pump 186 (FIG. 1) may also flow a dielectric fluid through applicator 14 to cool the applicator and the surface portion of sample 20, as may be desirable or necessary depending on the characteristics of the sample. The uniformity of sample heating over the entire diameter d of can be improved. Filling the applied odor 14 with a dielectric fluid may be accomplished by closing the EMR input area of each applicator with a dielectric element 188. In order to easily use distilled water as the current transfer medium at low cost, a large number of thin dielectric plates or dielectric pieces 190 can be arranged at intervals within the application chamber. The pieces 190 that extend across the applied odor have various lengths, and the pieces extend from the front aperture plate 138 so that the axis of the applied odor increases as the distance from the center of the applicator device increases. The distance away from 24 becomes gradually shorter. Applicable odor board 108,
With respect to the thin plates 192 of dielectric material attached to the inner surfaces of the surfaces 110, 116, 118, the dew strips 190 are shaped to increase the thickness of the solid dielectric material toward the axis of application 24. In this regard, it has been determined that, in construction in the form shown, the applicator 14 is preferably filled with a material having a dielectric constant of about 100 nm. Liquid fluid materials are preferred for cooling the fluid flow.
Liquids with modest dielectric constants are not easily obtained and are relatively expensive. Therefore, it is advantageous to use distilled water, which has a dielectric constant of about 78, instead. This can be done using dielectric strip 192 and plate 190 without using a thick butterfly of solid dielectric material. This is to maintain a uniform energy distribution.
. The following equation relates to the required thickness of the transfer body with respect to the total thickness t in the applicable cross section. where er is the desired dielectric constant (e.g. the total above), e
d is the dielectric constant of the solid (for example, about 2.2 for resin glass)
It is. 78 indicates the dielectric coefficient of water. So for the above concession coefficient, the ratio td/tt is approximately 0.0
Equal to 87. This means that the height (tt) of the applied odor 14 is axis 2
4 indicates that the thickness of the solid dielectric (td) must be increased to maintain a constant composite transfer coefficient (er). It is usually the applied odor plates 108, 110 that provide the desired thickness increase relative to the thickness of the solid dielectric.
, 116, 118 are formed with a bare dielectric plate 192, so that the thickness of this plate increases as it approaches the mouse 24 based on the above relationship. However, with a relatively thick portion of dielectric proximate the edge of the discharge hole 66, there will be undesirable electric field discontinuities or disturbances through the dielectric. In order to properly form a solid dielectric in a rectangular shape while avoiding electric field discontinuity in combination with a dielectric, the stepped dielectric piece 190 is made with an appropriate length and has a td/t of 0.87.
When properly spaced to satisfy the t ratio, the electric field discontinuity emitted by each induction piece has little adverse effect on the uniformity of tissue heating. An important advantage of incorporating four applied odor sections 16, each individually connected to an energy source 32, is that when non-uniform heating of the sample 20 is required, a type of EMR tissue heating can be applied to the sample 20.
This means that, for example, one or more track extenders 40 can be manipulated to reduce the EMR between the pieces.
This is to perform a synchronous operation in which the phase is shifted to shift the type of energy density applied to the sample. Also, for example, instead of all four secondary wires 38, a line divider that divides into one, two or three secondary wires 38 is used,
When the energy source 32 is connected to any of the items in 6, the heating mold of the sample is shifted toward one or more discharge applicators (a variation of FIG. 9). This is a first modification of the device system 198. In this modification device system 198, the hexagonal applicator device 200 has six applicator sections 202 arranged in contact with each other in an annular manner, each section being individually separated by a secondary transmission line 204 from a line divider 206. It is receiving EMR energy. This divider 2
06 is also connected to the EMR energy source 208 by a primary transmission line 210. Adjacent E of six applied odor pieces 202
The MR emitting hole 212 forms a substantially cylindrical radiation emitting compound hole 214 around the sample receiving entrance 216 in the axial direction. Each piece 202 includes a single applicator made similar to the individual applicator 14 described above. The device 200 then forms a single circumferential row of six single applied odors. The upper and lower annular conductive ground plates 224, 226 of the hexagonal device 200 generally correspond to the upper and lower plates 74 and 76 of the applied odor device 12. An outer conductive plate 228 electrically connected to the outer periphery of plates 224 and 226 corresponds to the outer plate 9 described above. The EMR energy receiving portion of piece 202 is similar to the coaxial line coupled to the EMR energy receiving portion 1001 of piece 16 described above.
A coaxial parallel plate transmission line coupling means 230 connects to the coaxial line 204, but does not require an "H" type power division distribution section. If each piece 202 has a 50 ohm EMR applied odor, the combined impedance of the hexagonal applied odor device is 50/6.
That is, 8.33 ohms, which is the loading impedance Zm of the receiving sample that should be allowed (or included) for the EMR emitter 214. Assuming, as an illustrative example, that an 8 $ ohm device 200 is suitable for irradiating a 20 C diameter sample, the optimal irradiation frequency wavelength (from equation 2) is approximately 13 to 4
Understand what should be between 0 skin. Table 1 shows the corresponding EM old irradiation frequencies from about 10 to 2 HZ. 20 mark MHZ in the assumed H type material
For a frequency limit equal to , the dielectric constant erh of the material is 56.5 from Table 2. The preferred hole height h for the discharge hole 214 at a diameter of about 25 mm is calculated from the equation (desired) for a sample loading impedance Zm of 8 paper ohms as follows: h = Drop perforation (11) That is, approximately 13.0 skin. For uniform EMR heating of a substantially cylindrical body part, if an axially long heating type is not required, a row of hexagonal type applicable odor devices 20 is used.
0 is applied directly. The advantage of the hexagonal-shaped device 200 over the four-piece one-needle applied odor device 12 described above is that it is greatly simplified and is less expensive to manufacture. The operation of the device 200 is similar to that described for the applied odor device 12 in terms of displacement operations of the pieces 202 and/or individual displacement operations of the pieces. A fluid dielectric fill with a cooling flow system is also provided in device 200 in a manner similar to device 12, but is not shown. (Modifications of FIGS. 10 and 11) FIGS. 10 and 11 show a second variation of the EMR hyperthermia device system 250 according to the present invention, in which a coaxial It has a heat applicator device 252. Line 256 is preferably a conventional 50 ohm coaxial cable. The coaxial applied odor device 252 is the coaxial inner and outer conductive shell 2
58 and 260, both shells having a circular cross section. There is no device 2 anywhere in the space between the inner and outer shells 258 and 260.
52 is maintained to set a uniform characteristic impedance of, for example, 50 ohms. An appropriate shell spacing for the characteristic impedance Zo of the coaxial transmission line is determined by the following equation. Otsu = Rokushowan (12) Here, e is the dielectric coefficient of the material between the inner and outer shells 258 and 260, d (outer) d (inner)
are the cross-sectional diameters of the shells, respectively. For air-filled coaxial transmission lines, such as device 252, e is equal to 1. The outer shell 258 has a conical radially divergent EMR input section 266, with a small diameter input section connected to the line 25.
electrically connected to the outer conductor 268 of 6 (FIG. 11).
. At one end of the approximately cylindrical shell there is a middle section 27 and a conical section 266.
electrically connected to the flared end of the radial introversion,
That is, the convergent annular end 272 is connected to the other end of the intermediate section 270. The inlet and end sections 274 and 276 of the intermediate section 270 may be diverging and converging to provide smooth EMR transfer between the conical section 266 and the intermediate section 270 and between the intermediate section 270 and the end 272, respectively. inner shell 26
0 likewise has a conical and radially diverging inlet portion 282;
Its small diameter end is electrically connected to the inner conductor 284 of the transmission line 256. One end of a small cylindrical portion 286 is connected to the widening end of the conical portion 282 . A radially inward or converging annular end portion 288 is connected to the end of the intermediate section 286 . The inner peripheral edges 290 and 292 of the two terminal portions 272 and 288 spaced apart in the rutting direction have a diameter D.
An axial sample receiving application odor closure 294 is formed. An annular EMR hole 296 of diameter D and axial height h is formed between the end portions for the outer shell distal end 272 extending beyond the inner shell distal end 288 in the hoe direction. Hole 296 and Sekiguchi 2
94 is formed by a tubular non-conductive member 298 located between the inner edges 290 and 292 of the distal end. Because the applied odor device 252 is coaxial, the sample receiving opening 294 does not extend throughout the device. Instead, a generally conical, non-radial axial chamber 300 is provided in the inner shell 28.
2 in front of the discharge hole 296. For example, the 11th
As shown, when the coaxial device 252 is sized to illuminate the torso region of the human body 304, the leg portions 360 of the body enter the chamber 300 but are not illuminated. Since the device 252 comprises a thermally applied odor, the load impedance of the sample received at the device entrance 294 is preferably equal to the characteristic impedance of the device. Assuming an applied odor characteristic impedance of 50 ohms as an illustrative example, a sample load impedance Z of 50 ohms is used to match the 50 ohm transmission line 256 and the energy source 254.
m is preferred. Further assuming the overall human body size for device 252, an ejection hole diameter D of approximately 55 mm is selected to accommodate a 5 rené human torso section with a typical diameter d. The corresponding preferred radiant energy frequency limit is determined to be 10+ MHZ in the manner described above for device 12 (see Table 1). By substituting equation (11), the following equation is obtained for the height h of the discharge hole 296. h = Gakubo X no eM (
13) Assuming an H-type sample, the value of emr in one dish MHZ is 71.7 from Table 2, which is about the height of the applicator of section 194, which is just above the height of a normal person. Good impedance matching between the coaxial application odor device 252 and the large-diameter tissue sample for any type of sample requires that the device be long in the vertical direction; This is disadvantageous for this type of applicator shape, since the required outer diameter of the device approximates the vertical height h of the hole. Further, since the discharge hole 296 has a considerable height in the direction of the steel, it is expected that even if the radiant energy is uniform in the axial direction, there will be some non-uniformity in the EMR direction of the received sample. This is due to variations in constituents in axially different sample areas, such as the thoracic, pelvic area, or due to the sample "filling factor" of different cross-sections. However, at least some fill factor variation is typically compensated for with a fluid dielectric, such as a distilled water-filled annulus 310, between the device member 298 and the specimen 304, such as a human body, to eliminate air gaps. Coaxial applicable odor device 2
The advantage of 52 is the uniform E in the direction of the circle around the circle, which is important when rapid heating of the entire human body is required.
The MR energy distribution is generally along and around the holes 296. Uniform distribution of EMR energy for hyperthermia throughout the human body, for example, is important in treatment of Ikebana or to rapidly raise a patient's body temperature from a hyperthermia condition in combination with cold exposure. Another advantage of the applied odor device 252 is that it is relatively simple in construction compared to, for example, the illustrated applied odor device 12. The Wakachi applicator device 12,200,252 and the EMR hyperthermia device system 10,198 combined therewith.
, 250 selects the irradiation frequency depending on the size and type of the sample, and establishes good impedance matching between the sample and the applied odor through the appropriate shape of the ejection hole, thereby producing a substantially uniform and concentrated biological tissue sample. This is an exemplary illustration of carrying out the above-described method of producing EMR heating at a time. Good impedance matching under specific design conditions is useful and comparable under such design conditions, as it is often desired to accommodate variations in actual sample size and shape that are regularly encountered in use. It is also emphasized that the vehicle can be driven in a wide range of areas. (Effects of the Invention) As already mentioned in the background of the present invention, in the hyperthermia device system of the present invention, when biological tissue inserted into the closed opening of the heating application device is irradiated and heated with electromagnetic radiation from around it, The deep part of the tissue can be directly heated to a relatively high temperature of 41.5 to 4300 °C without heating the tissue surface to extremely high temperatures. Thereby, it is possible to heat and destroy only the target malignant tumor located deep without damaging surface tissue or healthy tissue. In addition, by interposing a fluid dielectric such as an annular mass filled with distilled water around the tissue and the aperture, the sample surface is cooled while improving the efficiency of energy use and reducing irradiation, which is difficult to achieve in the conventional manner. It can be done with energy. In order to explain the method in which the present invention is advantageously used, the hyperthermia device system for annular electromagnetic wave radiation according to the present invention and the various envisaged deployments of the device have been described, but the present invention is not limited to these. It's not something you can do. Therefore, any or all modifications, modifications, or equivalent arrangements that occur to those skilled in the art should be considered as falling within the scope of the invention as defined by the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は全体として円筒の生物学的組織試料の電磁放射
(EMR)加熱のための環状の温熱適用臭装置を有する
EMR装置系の一部切断、一部略図の斜視図、第2図は
多数の別個の方向から円筒組織試料をEMR照射する効
果を説明する図解で、第2a図は、理想的正形方断面の
試料を両側からEMR照射する効果を説明し、第2b図
は正方形断面の試料を四方向からEMR照射する効果を
説明し、第2c図は第1図の適用具と同じ環状の適用臭
で円形断面の試料をEMR照射する効果を示し、第3図
は負荷ィンピダンスに対するEMR放出孔の高さと中の
比の効果を説明する略図で、第3a図は高さ対中の比が
1より大きい孔の効果を説明し、第3b図は1より小さ
い高さ対中の比がある孔の効果を説明し、第4図は第1
図の4−4線に沿った横断面図で第1図の温熱適用具装
置の内部形状を示し、第5図は第1図と第4図の適用具
装置の代表的一適用具のEMR受入部の一部切断した斜
視図、第6図は第5図の6一6線に沿った断面図で、第
1図の適用臭装置の内部形状と都片を含む個々の適用臭
の特長を立面で示し、第7図は第6図の7一7線に沿っ
た断面図で、個々の適用臭の他の特長を示し、第8図は
第1図のEMR装置系の略図でEMRの流路とィンピダ
ンスを示し、第9図は第1図と類似で、一部切断一部略
図の斜視図で、六辺形のEMRェネルギ適用臭装置とこ
れと紙合ったEMRェネルギ加熱装置系を示し、第10
図は第1,2図と類似で一部切断一部略図の斜視図、同
軸EMR適用臭装置とこれと組合つたEM蛇加熱装置系
の第二変形例を示し、第11図は第10図の11一11
線に沿った断面図で同軸適用臭装道の内部形状を示す。 10,198,250:装置系、12,200,252
:適用具菱壇、16,202:適用具部片、18,21
6,294:中央閉口、20:試料、22,214,2
96:放出孔、32,208,254:ェネルギ源、3
4,210,256:伝送線、38,204:二次伝送
線、100:ェネルギ受入部、258:外殻、260:
内殻、266:外殻円錐部、270:外殻中間部、27
2:外殻端部、282:内殻円錐部、286:内殻円筒
部。繁ノ図 うち2Q図 劣2b図 第2c図 繁く図 第34図 拳三b図 第5図 巻ぅ図 多L?図 繁/0図 繁フ図 繁6図 繁〃図
FIG. 1 is a partially cutaway, partially schematic perspective view of an EMR system having an annular thermally applied odor device for electromagnetic radiation (EMR) heating of a generally cylindrical biological tissue sample; FIG. Figure 2a illustrates the effect of EMR irradiation of a cylindrical tissue sample from multiple distinct directions; Figure 2a illustrates the effect of EMR irradiation of an ideal square cross-section sample from both sides; Figure 2b illustrates the effect of EMR irradiation of a sample with a square cross section Fig. 2c shows the effect of EMR irradiation on a sample with a circular cross section using the same annular application tool as in Fig. 1, and Fig. 3 shows the effect of EMR irradiation on a sample with a circular cross section from four directions. Schematic diagrams illustrating the effect of the height-to-medium ratio of EMR emitting holes, Figure 3a illustrating the effect of a hole with a height-to-medium ratio greater than 1, and Figure 3b illustrating the effect of a hole having a height-to-medium ratio less than 1. Figure 4 explains the effect of holes with a certain ratio.
A cross-sectional view taken along line 4-4 in the figure shows the internal shape of the heat applicator device shown in FIG. 1, and FIG. Fig. 6 is a partially cutaway perspective view of the receiving part, and Fig. 6 is a sectional view taken along line 6-6 in Fig. 5, showing the internal shape of the applied odor device in Fig. 1 and the features of each applied odor including the cap. is shown in elevation, FIG. 7 is a sectional view taken along line 7-7 of FIG. 6, showing other features of the individual applied odors, and FIG. 8 is a schematic diagram of the EMR system of FIG. 1. FIG. 9 is a partially cutaway partially schematic perspective view similar to FIG. 1, showing a hexagonal EMR energy application odor device and a matching EMR energy heating device. system, the 10th
The figure is a perspective view, partially cut away and partially schematic, similar to Figures 1 and 2, showing a second modification of the coaxial EMR applied odor device and the EM snake heating device system combined therewith, and Figure 11 is the same as Figure 10. 11-11
The internal shape of the coaxial application odor path is shown in a cross-sectional view along the line. 10,198,250: Equipment system, 12,200,252
: Applicable tool Ryodan, 16,202: Applicable tool part, 18,21
6,294: Central closed, 20: Sample, 22,214,2
96: Release hole, 32, 208, 254: Energy source, 3
4,210,256: Transmission line, 38,204: Secondary transmission line, 100: Energy receiving section, 258: Outer shell, 260:
Inner shell, 266: Outer shell conical portion, 270: Outer shell intermediate portion, 27
2: Outer shell end, 282: Inner shell conical part, 286: Inner shell cylindrical part. Traditional drawings, 2 Q drawings, inferior 2 b drawings, 2 c drawings, frequent drawings, 34 Kenzo b drawings, 5 vol. Number of illustrations/0 number of pictures number of 6 number of pictures

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 予め設定された特有の断面寸法と公知の損失物質の
電気的特性を有する円筒の生物学的組織試料に電磁放射
エネルギの加熱を生ぜしめるものにして、(a)予め設
定された放射エネルギ周波数fでの電磁放射のエネルギ
源と、(b)放射エネルギの入力部と照射のため前記組
織試料を受入れる大きさの形状に形成された軸方向中央
開口を具えて、特定の特性インピダンスを有する環状の
温熱適用具装置とを具え、前記中央開口は開口の周りに
開口に沿つて放射エネルギ放出の周辺孔を形成しており
、該放射エネルギの放出孔は適用具装置の特定インピダ
ンスと前記放出孔に置かれた前記試料の負荷インピダン
ス間で前記周波数fにおいてインピダンス整合を生ぜし
めるよう選定された軸方向高さhと、周辺方向の長さw
を有しており、更に(c)前記エネルギ源を適用具装置
の放射エネルギ入力部と相互接続する電磁放射エネルギ
の伝送手段を具えたことを特徴とした電磁放射エネルギ
のハイパーサーミア装置系。 2 前記エネルギ放射の周波数fは、温熱適用具装置の
開口に受入れられた前記試料に対し、対応波長を試料の
特有断面寸法の予め選定された関数であるように生ぜし
めるべく予め選定されているものである特許請求の範囲
第1項に記載の電磁放射エネルギのハイパーサーミア装
置系。 3 前記エネルギ放射の周波数fは、受入れ試料に対し
対応波長を試料の特有断面寸法の2/3から2倍の間で
生ぜしめるよう予め選定されているものである特許請求
の範囲第1項に記載の電磁放射エネルギのハイパーサー
ミア装置系。 4 予め設定された特有の断面寸法と公知の損失物質の
電気的特性を有する円筒の生物学的試料に電磁放射エネ
ルギの加熱を生ぜしめるものにして、(a)前記試料へ
の対応する波長を試料の特有断面寸法の2/3と2倍の
間であるよう生ぜしめるべく予め選定された放射エネル
ギの周波数fを有する電磁放射のエネルギ源と、(b)
放射エネルギ入力部と照射のため前記試料を受入れる大
きさの形状に形成された軸方向中央開口を具えて特定の
特性インピダンスを有する環状の温熱適用具装置と、(
c)前記エネルギ源を適用具装置の放射エネルギ入力部
と相互接続する電磁放射エネルギの伝送手段とを具えた
ことを特徴とした電磁放射エネルギのハイパーサーミア
装置系。 5 前記軸方向に形成された中央開口には、前記開口の
周りで開口に沿い放射エネルギ放出の周辺孔を形成し、
前記放出の周辺孔は温熱適用具装置の特性インピダンス
と前記放出の周辺孔を通してみた前記受入試料の負荷イ
ンピダンスとの間で前記選定された周波数fでインピダ
ンス整合を生ぜしめるよう選定された軸方向高さhと周
辺長wを有しているものである特許請求の範囲第4項に
記載の電磁放射エネルギのハイパーサーミア装置系。 6 前記温熱適用具装置は適用具装置と該装置に受入れ
られた生物学的組織試料の間で間隙を埋めて前記中央開
口の周りに配置された可撓性環状の流体収容袋を具えて
なる特許請求の範囲第1項若しくは第4項に記載の電磁
放射エネルギのハイパーサーミア装置系。 7 前記温熱適用具装置は夫々同じ特性インピダンスを
有して電気的に並列配置された複数の適用具用部片を具
え、前記適用具装置の特性インピダンスは適用具用部片
の特性インピダンスの電気的並列の和である特許請求の
範囲第1項又は第5項に記載の電磁放射エネルギのハイ
パーサーミア装置系。 8 前記温熱適用具装置は夫々同じ個々の特性インピダ
ンスを有する個々の電磁放射エネルギ適用具の直列と並
列の配列で構成され、前記適用具装置の特性インピダン
スは前記個々の適用具の特性インピダンスの直列と並列
の和である特許請求の範囲第1項又は第5項に記載の電
磁放射エネルギのハイパーサーミア装置系。 9 前記温熱適用具装置は閉じた電磁放射エネルギの入
力端と試料受入れの開放端を有する単一適用具を具え、
該適用具は間をおいて同軸に配置された内外の導電の殻
を有し、前記各の殻は入力端に放射状末広がり部と他端
に放射状収束部を有し、殻の前記放射状収束の両端部は
軸方向に間をおいて外殻の収束端部が内殻の収束端部よ
りも入力端から更に離れるようになつており、前記放射
エネルギ放出孔が前記両収束端部の間に形成されてなる
特許請求の範囲第1項又は第5項に記載の電磁放射エネ
ルギのハイパーサーミア装置系。 10 予め設定された特有の断面寸法と公知の損失物質
の電気的特性を有する円筒の生物学的試料に電磁的加熱
を生ぜしめるものにして、(a)予め設定された放射エ
ネルギ周波数fを有する電磁放射エネルギ源と、(b)
夫、々電磁放射エネルギの放出孔と、電磁放射エネルギ
の受入れ部分を有し且つ予め設定された特定インピダン
スを有する複数の適用具用の部片を具えてなる特定の特
性インピダンスを有する環状の温熱適用具装置とを具え
、前記複数の適用具用の部片は互に接して電気的並列に
配置されて、照射のため前記試料を受入れる適用具装置
の中央開口を形成する適用具装置に対して適用具用の部
片の放射エネルギ放出孔を実質的に連続した環状の放射
エネルギ放出孔を形成するようならしめ、前記適用具用
の部片の放射エネルギ放出孔は、前記選定された放射エ
ネルギ周波数fで、適用具装置の特定インピダンスと前
記中央開口に受入れられて前記環状の放射エネルギ放出
孔に表われた生物学的組織試料の負荷インピダンスとの
間にインピダンス整合を生ぜしめる形状となつており、
更に(c)前記エネルギ源を適用具装置の放射エネルギ
受入れ部と相互接続する電磁放射エネルギの伝送手段を
具えたことを特徴とした電磁放射エネルギのハイパーサ
ーミア装置系。 11 電磁放射エネルギ源と、該エネルギ源から電磁エ
ネルギ伝送のためエネルギ源に接続された電磁エネルギ
伝送手段を具えて予め選定された特有の断面寸法と公知
の損失物質の電気特性を有する凡そ円筒の生物学的組織
試料に電磁放射エネルギの加熱を生ぜしめる電磁放射エ
ネルギのハイパーサーミア装置系における環状の温熱適
用具装置であつて、(a)電磁放射エネルギの入力部を
有して且つ照射のため前記試料を受入れる形状に形成さ
れた軸方向中央開口を具えた適用具の構造と、(b)前
記軸方向中央開口の周りに沿つて形成された電磁放射エ
ネルギの放出孔とを具え、前記放出孔が受入試料に電磁
放射エネルギの加熱を最適均一性ならしめるように予め
選定された電磁放射エネルギ周波数において、適用具装
置の特性インピダンスと放出孔からみた受入れ試料の負
荷インピダンス間にインピダンス整合を生ぜしめるよう
軸方向の高さと周辺長を有しているものであり、更に(
c)エネルギ源から電磁放射エネルギを受入れる前記入
力部と伝送手段との間の電気的接続を行なう手段と、を
具えたことを特徴とした電磁放射エネルギのハイパーサ
ーミア装置系の環状の温熱適用具装置。 12 前記適用具の構造は前記軸方向中央開口を形成す
るよう環状に配置された多数の電磁放射エネルギの適用
具用の部片を具え、適用具用の部片は互に電気的に並列
で、前記各部片は放射エネルギの放出孔を有し、適用具
装置のエネルギ放出孔は前記複数の部片の放射エネルギ
の放出孔より形成されてなる特許請求の範囲第11項に
記載の環状の温熱適用具装置。 13 前記適用具装置は予め選定された特性インピダン
スを持つよう作られ、エネルギ放出孔の高さ対周辺長の
比は予め選定された放射エネルギ周波数fにおいて、前
記放出孔を通してみた試料の負荷インピダンスが前記記
適用具装置の特性インピダンスに等しからしめるよう選
定されてなる特許請求の範囲第11項に記載の環状の温
熱適用具装置。 14 電磁放射のエネルギ源と、エネルギ源から電磁エ
ネルギ伝送のためエネルギ源に接続された電磁エネルギ
伝送手段を具え予め選定された特有の断面寸法と公知の
損失物質の電気的特性を有する円筒の生物学的組織試料
に電磁放射エネルギの加熱を生ぜしめる電磁放射エネル
ギのハイパーサーミア装置系に用いられるものにして、
(a)予め選定された特性インピダンスを夫々持つよう
作られ且つ放射エネルギ受信部と矩形の放射エネルギ放
出孔を形成するようにした複数個の類似の適用具用の部
片を有し、(b)前記複数の適用具の部片は相接して電
気的に並列に相互接続されて、環状の複合の放射エネル
ギ放出孔のある環状の複合の適用具構造が形成され、該
適用具部片放射エネルギ放出孔で形成された前記環状の
放射エネルギ放出孔で照射される生物学的組織試料が受
入れられ、適用具用の部片の放射エネルギ放出孔の形状
と適用具部片の数が前記選定の放射エネルギ周波数fで
、前記複合の放出孔からみて前記試料の特有負荷インピ
ダンスと前記複合の適用具の複合した特性インピダンス
とを整合しうるよう選定されており、更に(c)前記エ
ネルギ源から電磁放射エネルギを受入れうるよう各適用
具部片の放射エネルギの受入部と前記伝送手段との間を
別個に電気的接続する手段を具えたことを特徴とした電
磁放射エネルギのハイパーサーミア装置系の環状の温熱
適用具装置。 15 前記各適用具用の部片は2×2列に配置された別
個の適用具を具え、前記各別個の適用具は適用具部片の
特性インピダンスと同じ特性インピダンスを有し、且つ
各部片は前記部片の放射エネルギの受入部から前記各適
用具の放射エネルギ受入部に電磁放射エネルギを伝送す
る直並列の電磁放射エネルギの伝送手段を具えてなる特
許請求の範囲第14項に記載の環状の温熱適用具装置。 16 電磁放射エネルギ源と、エネルギ源から電磁エネ
ルギ伝送のためエネルギ源に接続された二本の導体の電
磁エネルギ伝送手段とを具えて、予め選定された特有の
断面寸法と公知の損失物質の電気特性を有する凡そ円筒
の生物学的組織試料に電磁放射の加熱を生ぜしめる電磁
放射エネルギのハイパーサーミア装置系における環状の
温熱適用具装置であつて、(a)前記伝送手段の第一導
体に接続する形状の放射エネルギ受入れ端を有するよう
形成された導電性外殻と、(b)前記外殻内に外殻と同
軸に配置され前記伝送手段の第二導体に接続する形状の
放射エネルギ受入れ端を有するよう形成された導電性内
殻とを具備し、前記外殻は前記放射エネルギ受入れ端に
接続せる円錐の末広がり部と、前記末広がり部の広がり
端に接続された縦長の円筒の中間部と、末端を形成する
よう前記円筒部と接続して放射状内向に収束する部分を
有し、前記内殻は前記放射エネルギ受入端に接続する円
錐の末広がり部と、前記内殻の末広がり部の広がり端に
接続せる円筒の中間部と、末端部を形成するよう前記内
殻の円筒部に接続せる放射状内向の収束する部分を有し
、前記外殻末端は内殻末端より軸方向に延び、両末端は
、照射される試料受入用の軸方向適用具開口と両末端間
に形成された軸方向の環状の電磁放射エネルギ放出孔と
を形成し、且つ前記内外殻は適用具装置にその全長にわ
たり実質的均一な電気的インピダンスを与えしめるよう
な形状で間隔をとつてなる電磁放射エネルギのハイパー
サーミア装置系の同軸の環状の温熱適用具装置。
[Claims] 1. A method for producing electromagnetic radiation energy heating in a cylindrical biological tissue sample having a predetermined characteristic cross-sectional dimension and known loss material electrical properties, including: (a) an energy source of electromagnetic radiation at a set radiant energy frequency f; an annular heat applicator device having a characteristic impedance of , the central aperture defining a peripheral aperture for radiant energy emission around the aperture along the aperture, the radiant energy emission aperture forming a peripheral aperture of the applicator device. an axial height h and a circumferential length w selected to produce impedance matching at the frequency f between a particular impedance and the load impedance of the sample placed in the discharge hole;
A hyperthermia device system for electromagnetic radiant energy, further comprising: (c) electromagnetic radiant energy transmission means for interconnecting the energy source with a radiant energy input section of an applicator device. 2. The frequency f of the energy radiation is preselected to produce a corresponding wavelength for the sample received in the aperture of the thermal applicator device to be a preselected function of the specific cross-sectional dimensions of the sample. A hyperthermia device system for electromagnetic radiation energy according to claim 1. 3. The frequency f of the energy radiation is preselected to produce a corresponding wavelength for the receiving sample between 2/3 and twice the characteristic cross-sectional dimension of the sample. The electromagnetic radiation energy hyperthermia device system described. 4. causing heating of electromagnetic radiation energy to a cylindrical biological sample having predetermined characteristic cross-sectional dimensions and known lossy material electrical properties, (a) transmitting a corresponding wavelength to said sample; (b) an energy source of electromagnetic radiation having a frequency of radiant energy, f, preselected to produce a frequency of between two-thirds and twice the characteristic cross-sectional dimension of the specimen;
an annular thermal applicator device having a particular characteristic impedance, comprising a radiant energy input and a central axial opening configured to receive said sample for irradiation;
c) A hyperthermia device system for electromagnetic radiant energy, characterized in that it comprises means for transmitting electromagnetic radiant energy interconnecting said energy source with a radiant energy input section of an applicator device. 5. The axially formed central aperture has a peripheral hole formed around the aperture and along the aperture for emitting radiant energy;
The peripheral hole of the discharge has an axial height selected to produce an impedance match at the selected frequency f between the characteristic impedance of the thermal applicator device and the load impedance of the receiving sample as seen through the peripheral hole of the discharge. 5. A hyperthermia device system for electromagnetic radiation energy according to claim 4, which has a circumferential length h and a peripheral length w. 6. The thermal applicator device comprises a flexible annular fluid-containing bladder disposed around the central opening to bridge the gap between the applicator device and the biological tissue sample received into the device. A hyperthermia device system for electromagnetic radiation energy according to claim 1 or 4. 7. The heat applicator device comprises a plurality of applicator pieces electrically arranged in parallel, each having the same characteristic impedance, and the characteristic impedance of the applicator device is equal to the electrical characteristic impedance of the applicator pieces. A hyperthermia device system for electromagnetic radiation energy according to claim 1 or claim 5, which is a sum of parallel elements. 8 said heat applicator device is comprised of a series and parallel array of individual electromagnetic radiant energy applicators each having the same individual characteristic impedance, the characteristic impedance of said applicator device being a series of characteristic impedances of said individual applicators; A hyperthermia device system for electromagnetic radiant energy according to claim 1 or 5, which is a sum in parallel with . 9. The thermal applicator device comprises a single applicator having a closed electromagnetic radiant energy input end and a sample receiving open end;
The applicator has inner and outer conductive shells disposed coaxially and spaced apart, each shell having a radially diverging portion at an input end and a radially converging portion at the other end; The ends are axially spaced apart such that the convergent end of the outer shell is further away from the input end than the convergent end of the inner shell, and the radiant energy release hole is located between the convergent ends. A hyperthermia device system for electromagnetic radiation energy according to claim 1 or 5, which is formed. 10 producing electromagnetic heating in a cylindrical biological sample having predetermined specific cross-sectional dimensions and known lossy material electrical properties, (a) having a predetermined radiant energy frequency f; (b) a source of electromagnetic radiation energy;
An annular heating device having a specific characteristic impedance, comprising a plurality of applicator pieces each having a discharge hole for electromagnetic radiant energy and a receiving portion for electromagnetic radiant energy and having a predetermined specific impedance. an applicator apparatus, the plurality of applicator pieces being arranged in electrical parallel abutting one another to form a central opening of the applicator apparatus for receiving the sample for irradiation; the applicator piece's radiant energy emitting apertures to form a substantially continuous annular radiant energy emitting aperture; at an energy frequency f, the shape is configured to create an impedance match between a particular impedance of the applicator device and a load impedance of a biological tissue sample received in the central aperture and presented in the annular radiant energy emitting hole. and
A hyperthermia device system for electromagnetic radiant energy, further comprising (c) electromagnetic radiant energy transmission means for interconnecting the energy source with a radiant energy receiving portion of the applicator device. 11. A generally cylindrical body having a preselected characteristic cross-sectional dimension and known lossy material electrical properties, comprising a source of electromagnetic radiation energy and an electromagnetic energy transmission means connected to the energy source for transmitting electromagnetic energy from the energy source. An annular thermal applicator device in an electromagnetic radiant energy hyperthermia device system for producing electromagnetic radiant energy heating in a biological tissue sample, the device comprising: (a) an electromagnetic radiant energy input; (b) an electromagnetic radiation energy release hole formed around the periphery of the axial center opening; produces an impedance match between the characteristic impedance of the applicator device and the loaded impedance of the receiving sample as viewed from the discharge hole at a preselected electromagnetic radiant energy frequency to provide optimal uniformity of heating of the receiving sample with the electromagnetic radiant energy. It has the axial height and peripheral length, and also (
c) means for making an electrical connection between the input section for receiving electromagnetic radiation energy from an energy source and a transmission means; . 12. The structure of the applicator comprises a plurality of electromagnetic radiant energy applicator pieces arranged annularly to form the axially central opening, the applicator pieces being electrically parallel to each other. , each of the pieces has a radiant energy release hole, and the energy release hole of the applicator device is formed by the radiant energy release holes of the plurality of pieces. Heat application device. 13 The applicator device is constructed to have a preselected characteristic impedance, and the height to perimeter ratio of the energy emitting hole is such that at the preselected radiant energy frequency f, the load impedance of the sample viewed through the emitting hole is 12. An annular heat applicator device according to claim 11, wherein the annular heat applicator device is selected to be equal to the characteristic impedance of the applicator device. 14. A cylindrical organism having specific preselected cross-sectional dimensions and known lossy material electrical properties, comprising an energy source of electromagnetic radiation and an electromagnetic energy transmission means connected to the energy source for transmitting electromagnetic energy from the energy source. For use in a hyperthermia device system of electromagnetic radiation energy that causes heating of a biological tissue sample with electromagnetic radiation energy,
(a) having a plurality of similar applicator pieces each having a preselected characteristic impedance and defining a radiant energy receiving portion and a rectangular radiant energy emitting hole; (b) ) the plurality of applicator sections are electrically interconnected in parallel to each other to form an annular composite applicator structure with annular composite radiant energy emitting holes; A biological tissue sample to be irradiated by the annular radiant energy emitting hole formed with the radiant energy emitting hole is received, and the shape of the radiant energy emitting hole of the applicator piece and the number of applicator pieces are set as described above. (c) a selected radiant energy frequency f selected to match the characteristic load impedance of the sample and the composite characteristic impedance of the composite applicator as viewed from the composite discharge hole; A hyperthermia device system for electromagnetic radiant energy, comprising means for separately electrically connecting a radiant energy receiving portion of each applicator part and the transmission means so as to receive electromagnetic radiant energy from An annular heat applicator device. 15. Each applicator piece comprises separate applicators arranged in 2×2 rows, each separate applicator having a characteristic impedance that is the same as the characteristic impedance of the applicator piece; Claim 14, further comprising series and parallel electromagnetic radiant energy transmission means for transmitting electromagnetic radiant energy from the radiant energy receiving part of the piece to the radiant energy receiving part of each of the applicators. An annular heat applicator device. 16 an electromagnetic radiation energy source and an electromagnetic energy transmission means of two conductors connected to the energy source for the transmission of electromagnetic energy from the energy source to an electromagnetic source of preselected characteristic cross-sectional dimensions and known lossy material; an annular thermal applicator device in a system of electromagnetic radiant energy hyperthermia devices for producing electromagnetic radiant heating of a generally cylindrical biological tissue sample having a characteristic, the device comprising: (a) connected to a first conductor of said transmission means; (b) a radiant energy receiving end configured to be disposed within said outer shell coaxially with the outer shell and connected to a second conductor of said transmission means; a conductive inner shell formed to have a conical flare connecting to the radiant energy receiving end; and an elongated cylindrical intermediate portion connected to the flare end of the flare. a radially inwardly convergent portion connected to the cylindrical portion to form an end, the inner shell having a conical flared portion connecting to the radiant energy receiving end and a flared end of the inner shell flared portion; a cylindrical intermediate portion that connects, and a radially inwardly converging portion that connects to the cylindrical portion of the inner shell to form a distal end, the outer shell end extending axially from the inner shell end; an axial applicator opening for receiving the sample to be irradiated and an axial annular electromagnetic radiation energy emitting hole formed between the ends; A coaxial annular thermal applicator system of electromagnetic radiant energy hyperthermia devices spaced in a shape to provide uniform electrical impedance.
JP3718781A 1981-03-15 1981-03-15 Electromagnetic radiation energy hyperthermia device system and heating application tool for the device system Expired JPS6021744B2 (en)

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