PL204739B1 - Współosiowa antena mikrofalowa z miniaturowym dławikiem oraz sposób wytwarzania dławika - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest współosiowa antena mikrofalowa z miniaturowym dławikiem oraz sposób wytwarzania dławika. Antena tego rodzaju jest stosowana do minimalnie inwazyjnych technik chirurgicznych, do śródmiąższowych, przezskórnych, laparoskopowych, endoskopowych i śródoperacyjnych zabiegów w medycynie i chirurgii, zwłaszcza w onkologii.

Antena tego rodzaju stanowi antenę mikrofalową, przeznaczoną do hipertermii, działającą od temperatury 37°C do 100°C, składającą się z unipola lub współosiowego dipola, zaopatrzoną w „pułapkę zwykle nazywaną dławikiem, dla blokowania propagacji fali wstecznej odbitej w stronę generatora.

Hipertermia jest metodą używaną w onkologii od ponad 30 lat do leczenia raka (Hahn GM, Hyperthernia and Cancer -„Hipertermia i rak, Plenum Press, New York, 1982). Polega ona na podgrzewaniu komórek rakowych, co prowadzi albo do ich martwicy bezpośrednio, albo dopiero po zastosowaniu dodatkowych metod, takich jak radioterapia, chemoterapia czy inne metody chirurgiczne.

Do ogrzewania tkanek, w szczególności do leczenia powierzchniowych zmian patologicznych, stosowane były fale elektromagnetyczne emitowane przez źródło znajdujące się poza ciałem człowieka.

Ostatnio używane były cienkie urządzenia, zwłaszcza anteny mikrofalowe, pracujące na częstotliwościach od kilkuset MHz do kilku tysięcy MHz, typowo na 2450 MHz, wykonane w postaci współosiowej rurki, do śródmiąższowych, przezskórnych, laparoskopowych, endoskopowych i śródoperacyjnych zastosowań, odpowiednich do miejscowego leczenia głębokich zmian patologicznych (Iskander MF & Tumeh AM, Design Optimization of Interstitial Antennas - „Optymalizacja w projektowaniu anten śródmiąższowych, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1989, 238-246).

Takie anteny są zazwyczaj umieszczane w leczonych tkankach za pomocą cewnika lub metalowej igły, pod nadzorem ultrasonografu, TAC (tomografia axial computerizada), NMR (rezonansu magnetycznego) lub przy wykorzystaniu innej komputerowej techniki obrazowej. Mogą one być używane razem z lekami, falami jonizującymi i/lub z chirurgiczną ablacją.

Te anteny mikrofalowe są standardowo wytwarzane poprzez zastosowanie elastycznej lub półsztywnej współosiowej rurki, odpowiednio zmienionej na jednym z końców, aby doprowadzać moc mikrofalową do tkanek, w celu hipertermii.

Na fig. 1 jest przedstawiony osiowy przekrój poprzeczny znanej anteny, umieszczonej w igle 1 do biopsji. Aktywna część anteny, pokazana po prawej stronie rysunku, jest odpowiednio ukształtowana jako promieniujący dipol lub unipol. W igle 1 do biopsji znajduje się zewnętrzny przewód 2 w postaci współosiowej rurki, w której jest umieszczona warstwa dielektryka 3, izolująca zewnętrzny przewód 2 względem środkowego przewodu 4. Punkt pobudzania stanowi aktywny element anteny i nazywany jest zwykle punktem zasilania 7, w którym emitowana moc osiąga zazwyczaj maksimum.

Izotermiczne powierzchnie, które mogą być otrzymane poprzez podgrzewanie tkanek biologicznych (przez które nie przechodzą żadne duże naczynia krwionośne) za pomocą typowej anteny, otrzymanej na przykład poprzez usunięcie na końcu części zewnętrznego przewodu 2 współosiowej rurki i wystającej warstwy dielektryka 3, nieosłoniętej, jak przedstawiono na fig. 1, mają układ osiowo symetryczny. Ich rzut na płaszczyznę rysunku ma kształt eliptyczny, z centralnym maksimum promieniowania znajdującym się, jak opisano powyżej, w pobliżu punktu zasilania 7 anteny, od którego to miejsca dalsza część zewnętrznego przewodu 2 współosiowej rurki została usunięta. Powierzchnia ograniczona na fig. 1 linią kropkowaną 8 odpowiada izotermicznej powierzchni tkanki, na którą promieniuje ten typ anteny w przypadku czysto teoretycznym.

W rzeczywistoś ci, impedancja anteny nigdy nie jest idealnie dopasowana do impedancji ośrodka w którym działa, z powodu zmian właściwości dielektrycznych ośrodka podczas ogrzewania oraz z powodu innych czynników związanych z kierunkową propagacją fal elektromagnetycznych. Podczas dostarczania mocy mikrofalowej zawsze powstaje fala wsteczna, propagowana wzdłuż przewodu zewnętrznego anteny, od aktywnego końca do generatora, powodująca wydłużenie ogrzewanego obszaru ku tyłowi. Krzywa kreska-kropka 9 wskazuje rzut wydłużonej ku tyłowi izotermicznej powierzchni, odpowiadający temu efektowi. Ta wada uniemożliwia odpowiednie skupienie wytwarzanego ciepła niedaleko aktywnej części anteny i stanowi istotne ograniczenie dla stosowania tej techniki.

PL 204 739 B1

Aby uniknąć tego niepożądanego zjawiska, antena jest zwykle wyposażana w urządzenie nazywane dławikiem lub pułapką, często używane w radiowych antenach rozsiewczych (patrz np. Reintjes JF & Coate GT, Principles of Radar {Zasady działania radaru}, McGraw-Hill Book Company, New York 1952, p 851), które blokuje propagację fali wstecznej.

To znane urządzenie w postaci dławika 11 przedstawiono na fig. 2. Składa się ono ze współosiowej części prowadzącej o długości λ/A (gdzie λ oznacza długość emitowanej fali), otrzymanej poprzez umieszczenie na jednym z końców przewodu zewnętrznego współosiowej rurki anteny, niedaleko punktu zasilania 7, elektrycznie zwartej metalowej rurki 12. Antena z fig. 2, zawiera igłę 1 do biopsji, wprowadzającą antenę, zewnętrzny przewód 2 anteny, izolującą warstwę dielektryka 3 oraz środkowy przewód 4.

W tym przypadku odbita fala wsteczna 13 jest propagowana po zewnętrznej powierzchni anteny, osiąga dławik 11, odbija się od zwarcia na jego końcu i, po przebyciu odległości λ/2, pojawia się ponownie na wejściu do dławika, z tym, że w fazie przeciwnej do fali padającej, co w wyniku daje zerowe natężenie. Powierzchnia izotermiczna, która powstaje, gdy antena jest wyposażona w dławik 11, jest zaznaczona krzywą przerywaną 10 na fig. 2.

W rzeczywistości, wprowadzenie dławika 11 powoduje, jak widać, znaczny wzrost średnicy anteny, a więc też igły 1, ograniczając w ten sposób stosowanie w przypadkach, w których jest wymagane minimalnie inwazyjne działanie, jak na przykład na oddziałach ambulatoryjnych, w powtarzających się kuracjach i temu podobnych.

Ze względu na sposób wytwarzania, jak również na ograniczenia w odporności materiału, radialny wymiar dławika nie może być zmniejszony poniżej pewnej wielkości.

Ponadto, w przypadku zmiany właściwości dielektrycznych ośrodka, spowodowanych zmianami temperatury podczas terapii, lub w przypadku zmian częstotliwości pracy anteny, takich jak regulacja częstotliwości generatora mikrofalowego, dławik nie może być wydłużany ani skracany, gdyż musi zawsze mieć długość około jednej czwartej długości fali. Impedancja rzeczywistych dławików jest więc ustalona, przez co fala powracająca nie może być całkowicie efektywnie wyeliminowana, przy zmianach temperatury roboczej.

Stosowanie hipertermii zwykle wiąże się z pomiarami miejscowej temperatury. W rzeczywistości, niezbędne jest mierzenie temperatury zmian nowotworowych lub innych leczonych zmian patologicznych, aby zachować przylegające zdrowe tkanki i kontrolować rzeczywistą moc grzewczą anteny.

Zazwyczaj, w rejonie działania umieszcza się czujnik temperatury 20 (fig. 2). Używane są na przykład metalowe termopary. Nie mogą one być jednak wykorzystywane podczas dostarczania energii przez antenę z powodu prądów wirowych powstających w częściach metalowych termopar, powodujących podgrzewanie i wpływających w ten sposób na wynik pomiaru. Co więcej, obecność termopary zmienia rozkład pola elektromagnetycznego, czyli również rozkład ogrzewania. Na skutek tego, wykorzystywanie termopar musi się wiązać z niedogodnością, jaką jest konieczność przerywania dostarczania energii. Wiadomo natomiast, że czujniki światłowodowe nie zawierają metalu, nie zakłócają pola ani nie zmieniają wskazań pod jego działaniem. Ich wadą zaś jest to, że są drogie i delikatne. Kolejną wadą, występującą zarówno w przypadku termopar jak i czujników światłowodowych, jest konieczność umieszczenia cewnika wprowadzającego czujnik głębiej w obszarze działania.

Współosiowa antena mikrofalowa z miniaturowym dławikiem, do zabiegów śródmiąższowych, przezskórnych, laparoskopowych, endoskopowych i śródoperacyjnych w medycynie oraz chirurgii, zwłaszcza do ostrej hipertermii w onkologii, która to antena jest umieszczona w metalowej igle wprowadzanej do docelowej tkanki i która to antena zawiera wewnętrzny przewód, warstwę dielektryka, która pokrywa wewnętrzny przewód na całej jego długości, zewnętrzny przewód, który współosiowo pokrywa warstwę dielektryka poza częścią końcową oraz dławik umocowany na zewnątrz zewnętrznego przewodu, w pobliżu części końcowej, przy czym dławik zawiera współosiową część przewodzącą o średnicy większej niż średnica zewnętrznego przewodu anteny oraz przewodzący kołnierz łączący osiowy przewodnik z zewnętrznym przewodem, przy czym kołnierz przewodzący jest umieszczony wzdłuż współosiowej części przewodzącej naprzeciwko części końcowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że współosiowa przewodząca część dławika stanowi fragment metalowej igły.

Korzystnym jest, że kołnierz jest połączony stykiem ślizgowym z igłą dla zapewnienia że dławik ma regulowaną długość.

PL 204 739 B1

Korzystnym jest, że obok kołnierza znajduje się plastikowa osłona przylegająca do części końcowej anteny, stanowiąca warstwę dielektryka w dławiku.

Korzystnym jest, że osłona jest utworzona z antyadhezyjnego materiału i ma taką długość, że wystaje z igły dla zapobiegania przywieraniu zewnętrznej części do tkanek podczas traktowania ich wysoką temperaturą.

Korzystnym jest, że antena jest zaopatrzona w termoparę przechodząca przez kołnierz i osłonę, które tworzą dławik, przy czym termopara styka się z zewnętrznym przewodem współosiowej rurki, zaś jej końcówka pomiarowa wystaje z osłony rozciągając się w głąb obszaru zasilania anteny.

Sposób wytwarzania dławika, we współosiowej antenie mikrofalowej do śródmiąższowych, przezskórnych, laparoskopowych, endoskopowych i śródoperacyjnych zastosowań w medycynie i chirurgii, zwłaszcza w ostrej hipertermii w onkologii, przy czym antena ta jest umieszczona w metalowej igle wprowadzanej do docelowej tkanki, która to antena zawiera wewnętrzny przewód, warstwę dielektryka pokrywającą całą długość wewnętrznego przewodu i zewnętrzny przewód okrywający współosiowo warstwę dielektryka oprócz jej końcowej części, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na antenę wprowadza się przewodzący kołnierz blisko jej części końcowej, przy czym przewodzący kołnierz osadza się przesuwnie w metalowej igle.

Korzystnym jest, że obok kołnierza wprowadza się na antenę przylegającą do jej części końcowej plastikową osłonę, która stanowi warstwę dielektryka wewnątrz dławika.

Korzystnym jest, że stosuje się osłonę i warstwę dielektryka (3) w antenie wykonane z policzterofluoroetylenu (PTFE).

Korzystnym jest, że stosuje się kołnierz wykonany z metalu przyspawanego do zewnętrznego przewodu anteny.

Zgodnie z wynalazkiem opracowano współosiową antenę mikrofalową, przeznaczoną do stosowania w medycynie i chirurgii, zaopatrzoną w dławik do blokowania wstecznej propagacji fali odbitej w stronę generatora, w której możliwa jest miniaturyzacja tego dławika w stosunku do znanych rozwiązań, dla umożliwienia wykorzystania jej w minimalnie inwazyjnych zastosowaniach. W przypadku zmian średniej długości fali, antena pozwala wydłużać lub skracać dławik, w celu bardziej poprawnego działania. Ponadto antena pozwala na pomiar temperatury w rejonie swego działania. W rozwiązaniu według wynalazku sama igła stanowi przewodzącą część współosiowego dławika, a przewodzący kołnierz przesuwa się w metalowej igle.

Opracowany zgodnie z wynalazkiem sposób wytwarzania dławika do takiej anteny, pozwala na miniaturyzację anteny przy jej prostej konstrukcji.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, został bliżej objaśniony na załączonym rysunku, na którym fig. 3 przedstawia przekrój osiowy anteny według wynalazku, fig. 4 przedstawia antenę z fig. 3 w rozłożeniu, natomiast fig. 5 przedstawia antenę z fig. 3, z dodaną termoparą, przechodzącą przez dławik i rozciągającą się do wewnątrz obszaru zasilania.

Na figurze 3 jest przedstawiona antena według wynalazku w przekroju osiowym, która jest umieszczona w metalowej rurce, składającej się z igły 1 do biopsji o rozmiarze 14 G (zewnętrzna średnica igły wynosi 2,1 mm).

Aktywną część anteny, po prawej stronie rysunku, stanowi promieniujący dipol lub unipol. Dokładniej, antenę tworzy współosiowa rurka, zawierająca zewnętrzny przewód 2, warstwę dielektryka 3 i środkowy przewód 4, zanurzony w warstwie dielektryka 3, która izoluje go od zewnętrznego przewodu 2. Koniec zewnętrznego przewodu 2 stanowi punkt zasilania 7, to jest aktywną część anteny, zwykle nazywaną pobudzeniem. W tym punkcie emitowana moc osiąga zazwyczaj maksimum.

Zgodnie z wynalazkiem, urządzenie jest zaopatrzone w plastikową izolującą osłonę 5 i metalowy kołnierz 6. Realizuje się to przez przyspawanie do zewnętrznego przewodu 2 anteny, metalowego kołnierza 6, w ustalonej z góry pozycji. Następnie ustawia się plastikową osłonę 5 pokrywającą zewnętrzny przewód 2 wokół części, która łączy punk zasilania 7 z kołnierzem 6. Ponadto, wykorzystuje się ściankę wewnątrz samej metalowej igły 1, w której umieszczona jest antena do obejmowania i kierowania kołnierza 6 i osłony 5, w szczególności kołnierza 6, który znajduje się w styczności elektrycznej ze ścianką wewnątrz metalowej igły 1.

Wynalazek pozwala w łatwy i niedrogi sposób wykonać zminiaturyzowaną antenę mikrofalową wyposażoną w dławik, odpowiednią do miejscowego leczenia głębokich zmian patologicznych w medycynie i chirurgii. Faktycznie, zastosowanie metalowej igły 1, kołnierza 6 i osłony 5 pozwala na otrzymanie dławika o zmiennej długości i może zredukować do minimum zwiększenie zewnętrznej średnicy anteny.

PL 204 739 B1

Dławik przedstawiony na fig. 3 działa podobnie jak dławik z fig.2. Fala 13 jest odbita wstecz począwszy od punktu zasilania 7, przebiega zewnętrzną powierzchnię anteny, wchodzi do dławika utworzonego przez igłę 1 i zewnętrzny przewód 2, odbija się od kołnierza 6 na obwodzie zwarcia, po przebyciu w sumie odległości λ/2, ponownie trafia na wejście dławika będąc w fazie przeciwnej w stosunku do fali padają cej, co daje zerowe natężenie. Zmiana dł ugoś ci fali wywołana wzrostem temperatury, lub z innej przyczyny, może być skorygowana poprzez zmianę położenia kołnierza 6 względem igły 1, tak aby dławik zawsze miał długość λ/4. Zmiany impedancji anteny podczas jej działania mogą być skompensowane, w pewnym zakresie, w ten sam sposób przez zmianę długości dławika, a przez to zmianę długości części pomiędzy dławikiem a punktem zasilania.

Izotermiczna powierzchnia, którą otrzymuje się , gdy antena jest wyposażona w dławik zgodny z wynalazkiem, jest pokazana także w tym przypadku za pomocą przerywanej krzywej 10. Dostarczane ciepło, zgodnie z tą krzywą, pozwala na miejscowe ogrzewanie docelowej tkanki bez, stanowiącej wadę, odbitej fali wstecznej z fig. 1. Nie prowadzi to do znacznego wzrostu średnicy dzięki zastosowaniu styku ślizgowego pomiędzy metalową współosiową rurką anteny i wewnę trzną ś cianką igł y 1, która kieruje antenę podczas wprowadzania.

Metalowy kołnierz 6 pozostaje w styczności elektrycznej z wewnętrzną ścianką igły 1 i stanowi w ten sposób ruchome zwarcie.

Izolująca osłona 5 pełni wówczas różne funkcje, a mianowicie stanowi współosiową prowadnicę falową o długości λ/4 zapewniając antenie efektywny dławik, jest elementem zapewniającym, że antena przesuwa się centralnie, wzdłuż osi igły a w zewnętrznej części dławika chroni przed przywieraniem tkanek podczas leczenia podgrzewaniem do wysokich temperatur, i nie pozwala na stykanie się ich z metalowymi powierzchniami innymi niż kierująca igła, w której przesuwa się antena.

W nawią zaniu do figury 5, w innym wariancie wykonania wynalazku, termopara 21 przechodzi przez kołnierz 6 i osłonę 5, co tworzy dławik. Termopara 21 styka się z zewnętrznym przewodem 2 współosiowej rurki, tworzącej antenę, przy czym jej końcówka pomiarowa 22, która wystaje z osłony 5, rozcią gają c się w głąb obszaru zasilania 10 anteny. Drugi koniec termopary jest połączony za pomocą wtyczki 23 z przyrządem służącym do pomiaru temperatury, nie pokazanym na rysunku.

Zgodnie z wynalazkiem termopara 21 nie wpływa na działanie anteny. Rzeczywiście, termopara stanowi integralną całość z metalem współosiowego zewnętrznego przewodu 2. Dlatego też termopara 2 jest praktycznie ekranowana.

Termoparę 21 może stanowić zwykła metalowa termopara, wykonana w metalowej osłonie, w której różne metalowe przewodniki stykają się w jej końcówce pomiarowej 22. Taka metalowa termopara nie jest bardzo kosztowna, a jest dużo tańsza od czujników światłowodowych (na przykład czujników fluorkowo-optycznych).

Kolejną zaletą termopary 21 jest to, że nie potrzeba dodatkowej zewnętrznej termopary wprowadzanej przez dodatkowy cewnik dla odseparowania jej od anteny i, przede wszystkim, pomiar może być dokonany bezpośrednio w miejscu działania podczas dostarczania pobudzenia, które powoduje hipertermię.

Termopara 21 może być także użyta w antenach do hipertermii innych niż pokazane na rysunku 3 i 5.

Claims (9)

1. Współosiowa antena mikrofalowa z miniaturowym dławikiem, do zabiegów śródmiąższowych, przezskórnych, laparoskopowych, endoskopowych i śródoperacyjnych w medycynie oraz chirurgii, zwłaszcza do ostrej hipertermii w onkologii, która to antena jest umieszczona w metalowej igle wprowadzanej do docelowej tkanki i która to antena zawiera wewnętrzny przewód, warstwę dielektryka, która pokrywa wewnętrzny przewód na całej jego długości, zewnętrzny przewód, który współosiowo pokrywa warstwę dielektryka poza częścią końcową oraz dławik umocowany na zewnątrz zewnętrznego przewodu, w pobliżu części końcowej, przy czym dławik zawiera współosiową część przewodzącą o średnicy większej niż średnica zewnętrznego przewodu anteny oraz przewodzący kołnierz łączący osiowy przewodnik z zewnętrznym przewodem, przy czym kołnierz przewodzący jest umieszczony wzdłuż współosiowej części przewodzącej naprzeciwko

PL 204 739 B1 części końcowej, znamienna tym, że współosiowa przewodząca część dławika stanowi fragment metalowej igły (1).

2. Antena według zastrz. 1, znamienna tym, że kołnierz (6) jest połączony stykiem ślizgowym z igłą (1) dla zapewnienia ż e dł awik ma regulowaną dł ugość.

3. Antena według zastrz. 1, znamienna tym, że obok kołnierza (6) znajduje się plastikowa osłona (5) przylegająca do części końcowej anteny, stanowiąca warstwę dielektryka w dławiku.

4. Antena według zastrz. 1, znamienna tym, że osłona (5) jest utworzona z antyadhezyjnego materiału i ma taką długość, że wystaje z igły (1) dla zapobiegania przywieraniu zewnętrznej części do tkanek podczas traktowania ich wysoką temperaturą.

5. Antena według zastrz. 1, znamienna tym, że jest zaopatrzona w termoparę (21) przechodzącą przez kołnierz (6) i osłonę (5), które tworzą dławik, przy czym termopara (21) styka się z zewnętrznym przewodem (2) współosiowej rurki, zaś jej końcówka pomiarowa wystaje z os łony (5) rozciągając się w głąb obszaru zasilania anteny.

6. Sposób wytwarzania dławika, we współosiowej antenie mikrofalowej do śródmiąższowych, przezskórnych, laparoskopowych, endoskopowych i śródoperacyjnych zastosowań w medycynie i chirurgii, zwłaszcza w ostrej hipertermii w onkologii, przy czym antena ta jest umieszczona w metalowej igle wprowadzanej do docelowej tkanki, która to antena zawiera wewnętrzny przewód, warstwę dielektryka pokrywającą całą długość wewnętrznego przewodu i zewnętrzny przewód okrywający współosiowo warstwę dielektryka oprócz jej końcowej części, znamienny tym, że na antenę wprowadza się przewodzący kołnierz (6) blisko jej części końcowej, przy czym przewodzący kołnierz (6) osadza się przesuwnie w metalowej igle (1).

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że obok kołnierza (6) wprowadza się na antenę przylegającą do jej części końcowej plastikową osłonę (5), która stanowi warstwę dielektryka wewnątrz dławika.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że stosuje się osłonę (5) i warstwę dielektryka (3) w antenie wykonane z policzterofluoroetylenu (PTFE).

9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że stosuje się kołnierz (5) wykonany z metalu przyspawanego do zewnętrznego przewodu (2) anteny.