RU1779395C

RU1779395C - Device for uhf hyperthermia

Info

Publication number: RU1779395C
Application number: SU904842883A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Федорович Чаплин; Виктор Васильевич Гоблик; Богдан Евгеньевич Рыцар; Константин Сергеевич Семенистый
Original assignee: Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1992-12-07

Abstract

Использование: в онкологии при лечении злокачественных новообразований внутренних органов человека. Сущность изобретени : устройство содержит две кольцевые антенные решетки, в одну из которых помещен фантом органа человека с диэлектрическими параметрами, идентичными диэлектрическим параметрам больного органа, радиометрический приемник, широтно-импульсный модул тор, генератор СВЧ-колебаний, индикатор температур, коммутатор, фильтр, фазочувствительный детектор и генератор пр моугольных импульсов . Благодар наличию в устройстве обратной св зи по температуре, а также источника опорного сигнала (фантом с антенной решёткой) обеспечиваетс высока точность поддержани температуры больного органа и надежное предотвращение риска перегрева его в процессе лечени , что повышает эффективность лечени . 1 ил. слUsage: in oncology in the treatment of malignant neoplasms of human internal organs. The inventive device contains two circular antenna arrays, one of which contains a phantom of a human organ with dielectric parameters identical to the dielectric parameters of a diseased organ, a radiometric receiver, a pulse-width modulator, a microwave oscillator, a temperature indicator, a switch, a filter, and a phase-sensitive rectangular pulse detector and generator. Due to the presence of temperature feedback in the device, as well as a reference signal source (phantom with antenna array), the accuracy of maintaining the temperature of the diseased organ and reliable prevention of the risk of overheating during treatment are ensured, which increases the effectiveness of treatment. 1 ill. cl

Description

Изобретение относитс к медицинской технике и может быть использовано в онкологии при лечении злокачественных новообразований внутренних органов человека.The invention relates to medical equipment and can be used in oncology in the treatment of malignant neoplasms of human internal organs.

Известны устройства дл сверхвысокочастотной (СВЧ) гипертермии, состо щие из генератора СВЧ-колебаний, антенной системы с радиометрическим приемником и индикатором температуры нагреваемого органа или участка тела человека.Microwave hyperthermia (microwave) devices are known which consist of a microwave oscillator, an antenna system with a radiometric receiver, and an indicator of the temperature of the heated organ or portion of the human body.

Недостатком указанных устройств вл етс низка точность поддержани температуры больного органа и опасность перегрева его при лечении вследствие отсутстви цепи автоматической обратной св зи по температуре.The disadvantage of these devices is the low accuracy of maintaining the temperature of the diseased organ and the risk of overheating during treatment due to the absence of an automatic temperature feedback loop.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту вл етс устройство дл СВЧ-гипертермии, состо щее из двух кольцевых антенных решеток, в одну из которых помещен больной орган, а во вторую - его фантом, генератора СВЧ-колебаний , двух радиометрических приемников, схемы сравнени , широтно-импульсного модул тора и индикатора температуры нагреваемого органа или участка тела человека .The closest in technical essence and the achieved effect is a device for microwave hyperthermia, consisting of two circular antenna arrays, one of which contains a diseased organ, and the second - its phantom, a microwave oscillator, two radiometric receivers, a comparison circuit , pulse-width modulator and temperature indicator of the heated organ or part of the human body.

Недостатком устройства-прототипа вл етс недостаточно высока точность поддержани температуры больного органа, обусловленна наличием двух каналов усилени сигнала, каждый из которых состоитThe disadvantage of the prototype device is the insufficient accuracy of maintaining the temperature of the diseased organ, due to the presence of two signal amplification channels, each of which consists

ЮYU

из кольцевой антенной решетки и радиометрического приемника, неидентичность параметров которых приводит к дополнительной инструментальной погрешности устройства, что снижает эффективность лечени ,from an annular antenna array and a radiometric receiver, the non-identical parameters of which leads to additional instrumental error of the device, which reduces the effectiveness of the treatment,

Целью изобретени вл етс повышение эффективности лечени за счет повыше- ни точности поддержани заданной температуры больного органа.The aim of the invention is to increase the effectiveness of treatment by increasing the accuracy of maintaining the desired temperature of the diseased organ.

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство, содержащее две кольцевые антенные решетки, в одну из которых помещен фантом органа человека, радиометрический приемник, широтно-импульсный модул тор, генератор СВЧ-колебаний и индикатор температуры, введены коммутатор, фильтр, фазочувствительный детектор и генератор пр моугольных импульсов. При этом выходы генератора пр моугольных импульсов соединены с модулирующими входами коммутатора и фазочувствительного детектора, выходы кольцевых антенных решеток подключены ко входам коммутатора, выход которого через последовательно соединенные радиометрический приемник, фильтр и фазочувствительный детектор подключен ко входу широтно-импульсного модул тора .This goal is achieved by the fact that in the device containing two circular antenna arrays, in one of which is placed a phantom of a human organ, a radiometric receiver, a pulse-width modulator, a microwave oscillator and a temperature indicator, a commutator, a filter, a phase-sensitive detector and a generator are introduced rectangular pulses. In this case, the outputs of the rectangular pulse generator are connected to the modulating inputs of the switch and the phase sensitive detector, the outputs of the ring antenna arrays are connected to the inputs of the switch, the output of which is connected through the series connected radiometric receiver, filter, and phase sensitive detector to the input of the pulse width modulator.

На чертеже представлена структурна схема предлагаемого устройства.The drawing shows a structural diagram of the proposed device.

Устройство содержит две кольцевые антенные решетки 1 и 2, фантом 3 человеческого тела или органа, подлежащего лечению, коммутатора 4, радиометрический приемник 5, индикатор 6 температуры, фильтр 7, генератор 8 пр моугольных импульсов , фазочувствительный детектор 9, широтно-импульсный модул тор 10 и генератор 11 СВЧ-колебаний.The device contains two annular antenna arrays 1 and 2, a phantom 3 of the human body or organ to be treated, a switch 4, a radiometric receiver 5, a temperature indicator 6, a filter 7, an rectangular pulse generator 8, a phase-sensitive detector 9, a pulse-width modulator 10 and a microwave oscillator 11.

Выходы кольцевых антенных решеток 1 и 2 подключены ко входам коммутатора 4. Фантом 3 человеческого тела или органа, подлежащеголечению, помещен в кольцевую антенную решетку 2. Выход коммутатора 4 соединен со входом радиометрического приемника 5, выход которого подключен через фильтр 7 ко входу фазочувствительного детектора 9. Выход генератора 8 пр моугольных импульсов подключен к модулирующим входам коммутатора 4 и фазочувствительного детектора 9, выход которого через широтно- импульсный модул тор 10 соединен со входом генератора 11 СВЧ-колебаний. Выход генератора 11 подключен ко входу первой кольцевой антенной решетки 1, в которую помещают человека или его больной орган. Дл измерени температуры больного органа в процессе лечени к выходу радиометрического приемника 5 подключен индикатор 6 температуры.The outputs of the ring antenna arrays 1 and 2 are connected to the inputs of the switch 4. The phantom 3 of the human body or organ to be treated is placed in the ring antenna array 2. The output of the switch 4 is connected to the input of the radiometric receiver 5, the output of which is connected through the filter 7 to the input of the phase-sensitive detector 9 The output of the rectangular pulse generator 8 is connected to the modulating inputs of the switch 4 and the phase-sensitive detector 9, the output of which is connected via the pulse-width modulator 10 to the input of the microwave generator 11 -oscillations. The output of the generator 11 is connected to the input of the first annular antenna array 1, into which a person or his diseased organ is placed. To measure the temperature of the diseased organ during treatment, a temperature indicator 6 is connected to the output of the radiometric receiver 5.

Температура фантома 3, расположенного в кольцевой антенной решетке 2, поддерживаетс стабильной на определенном уровне (например, 42°С), достаточном дл The temperature of the phantom 3 located in the annular antenna array 2 is maintained stable at a certain level (for example, 42 ° C), sufficient for

лечени клеток больного органа, при помощи постороннего термостатирующего устройства или нагревател . При этом указанна температура должна поддерживатьс не в полном объеме фантома 3. аtreating cells of a diseased organ with an extraneous thermostatic device or heater. At the same time, the indicated temperature should not be fully supported by phantom 3. a

0 только в той его части, где находитс фокус- электромагнитного пол кольцевой антенной решетки 2.0 only in that part where the focus-electromagnetic field of the ring antenna array 2 is located.

В за вл емом устройстве фантом 3 и антенна решетка 2 играют роль источникаIn the inventive device, the phantom 3 and the antenna array 2 play the role of a source

5 опорного сигнала (опорной температуры), по отношению к которому поддерживаетс температура в заданной области больного органа.5 reference signal (reference temperature), in relation to which the temperature is maintained in a given area of the diseased organ.

Устройство работает следующим обра0 зом.The device operates as follows.

В кольцевую антенную решетку 1 помещают больного или его больной орган и фокусируют электромагнитное излучение генератора 11 СВЧ-колебаний в области те5 ла человека или его органа, подлежащего гипертермии.The patient or his diseased organ is placed in the annular antenna array 1 and the electromagnetic radiation of the microwave oscillation generator 11 is focused in the body region of the person or his organ subject to hyperthermia.

Одновременно в кольцевую антенную решетку 2 помещают фантом 3 тела человека или его органа, диэлектрические пара0 метра которого в объеме области нагрева в точности повтор ют аналогичные параметры больного органа, подлежащего лечению. Материалом фантома 3 может служить, например , пластилин, глицерин, вода и т.п.At the same time, a phantom 3 of the body of a person or his organ is placed in the annular antenna array 2, the dielectric parameters of which in the volume of the heating region exactly repeat the similar parameters of the diseased organ to be treated. The material of the phantom 3 can be, for example, plasticine, glycerin, water, etc.

5 материалы, по диэлектрическим свойствам близкие к аналогичным свойствам конкретного больного органа. Наконец, в качестве фантома могут быть использованы биологические препараты живой ткани животных5 materials with dielectric properties close to those of a particular diseased organ. Finally, biological preparations of living animal tissue can be used as phantoms.

0 или человека, полностью совпадающие по параметрам с необходимыми параметрами больного органа.0 or a person that completely coincides in parameters with the necessary parameters of the diseased organ.

Генератор 11 СВЧ-колебаний работает в импульсном режиме, излуча порци миThe microwave oscillator 11 operates in a pulsed mode, emitting portions

5 электромагнитную энергию, котора фокусируетс и выдел етс в определенном объеме тела человека. Длительность радиоимпульсов генератора 11 определ етс режимом работы широтно-импульсного5, electromagnetic energy that is focused and released in a specific volume of the human body. The duration of the radio pulses of the generator 11 is determined by the operating mode of the pulse-width

0 модул тора 10 и зависит от разности температур фантома 3 и больного органа.0 modulator 10 and depends on the temperature difference between phantom 3 and the diseased organ.

В паузах между радиоимпульсами кольцевые антенные решетки 1 и 2 принимают тепловое излучение в дециметровом диапа5 зоне волн, исход щие из фантома 3 и больного органа, и с выхода антенных решеток 1 и 2 в виде напр жени тепловых шумов поступает на входы коммутатора 4. Модулирующее напр жение (енератора 8 пр моугольных импульсов с помощью коммутатора 4 поочередно подключает выходы антенных решеток 1 и 2 ко входу радиомет- ршеского приемника 5. В радиометрическом приемнике 5 сигналы антенных решеток 1 и 2 усиливаютс , детектируютс и в виде напр жени посто нного тока, пропорционального контролируемой температуре, поступают на индикатор 6 температуры.In the pauses between the radio pulses, the annular antenna arrays 1 and 2 receive thermal radiation in the decimeter wavelength range 5 emanating from the phantom 3 and the diseased organ, and from the output of the antenna arrays 1 and 2 in the form of the thermal noise voltage goes to the inputs of the switch 4. The modulating voltage (generator 8 of rectangular pulses using a switch 4 alternately connects the outputs of the antenna arrays 1 and 2 to the input of the radiometric receiver 5. In the radiometric receiver 5, the signals of the antenna arrays 1 and 2 are amplified, detected and, as Constant current proportional to the controlled temperature are supplied to temperature indicator 6.

При равенстве температур фантома 3 и больного органа напр жение на выходе антенных решеток 1 и 2 равны между собой и поэтому на выходе радиометрического приемника 5 будет посто нное напр жение, пропорциональное измер емой температуре, которое фиксируетс индикатором 6. При этом напр жение на выходе фильтра 7 и фазочувствительнорго детектора 9 равно нулю и не вли ет на длительность выходных импульсов широтно-импульсного модул тора 10.If the temperatures of the phantom 3 and the diseased organ are equal, the voltage at the output of the antenna arrays 1 and 2 are equal to each other and therefore at the output of the radiometric receiver 5 there will be a constant voltage proportional to the measured temperature, which is fixed by indicator 6. In this case, the voltage at the filter output 7 and phase-sensitive detector 9 is equal to zero and does not affect the duration of the output pulses of the pulse-width modulator 10.

Если температура больного органа будет ниже температуры фантома 3, напр жение шумов на выходе кольцевой антенной решетки 2 будет больше напр жени шумов на выходе кольцевой антенной решетки 1. Благодар коммутации коммутатором 4 этих напр жений, на выходе радиометрического приемника 5 по витс меандр напр жени с частотой генератора 8 пр моугольных импульсов , амплитуда которого будет пропорциональна разности температур фантома 3 и больного органа.If the temperature of the diseased organ is lower than the temperature of the phantom 3, the noise voltage at the output of the annular antenna array 2 will be greater than the noise voltage at the output of the annular antenna array 1. Thanks to the switch 4 switching these voltages, the output of the radiometric receiver 5 will respond to the voltage meander frequency of the generator 8 rectangular pulses, the amplitude of which will be proportional to the temperature difference between the phantom 3 and the diseased organ.

Фильтр 7 вл етс полосно-пропускаю- щим в области частоты коммутации генератора 8 и поэтому он выдел ет первую гармонику меандра выходного напр жени радиометрического приемника 5. В качестве фильтра 7 может быть использован, например , активный фильтр на операционном усилителе, либо резонансный усилитель, настроенный на частоту коммутации генератора 8.Filter 7 is a pass-band filter in the region of the switching frequency of oscillator 8 and therefore it extracts the first harmonic of the output waveform of the radiometric receiver 5. As filter 7, for example, an active filter on an operational amplifier or a resonant amplifier can be used. tuned to the switching frequency of the generator 8.

Фазочувствительный детектор 9 преобразует поступающую на его вход с выхода фильтра 7 первую гармонику меандра в посто нное напр жение, пол рность которого зависит от знака рассогласовани температур фантома 3 и больного органа. В рассматриваемом случае на выходе фазочув- ствительного детектора 9 будет напр жение положительной пол рности, что приведет к увеличению длительности выходных импульсов широтно-импульсного модул тора 10, повышению интенсивности нагрева больногоThe phase-sensitive detector 9 converts the first harmonic of the meander arriving at its input from the output of filter 7 into a constant voltage, the polarity of which depends on the sign of the temperature mismatch between the phantom 3 and the diseased organ. In the case under consideration, the output of the phase-sensitive detector 9 will have a voltage of positive polarity, which will lead to an increase in the duration of the output pulses of the pulse-width modulator 10, to an increase in the intensity of heating the patient

органа при помощи генератора 11 СВЧ-ко- лебаний и повышение его температуры до температуры фантома 3.organ using a generator of 11 microwave oscillations and increasing its temperature to the temperature of the phantom 3.

Аналогично, если температура больногоSimilarly, if the patient's temperature

органа будет превышать температуру фантома 3, напр жение на входе фэзочувстви- тельного детектора 9 изменит знак на противоположный, что приведет к уменьшению длительности ВЫХОДНУХ импульсов широтно-импульсного модул тора 10. Это приведет к снижению интенсивности нагрева больного органа и соответствующего снижени его температуры до температуры фантома 3. of the organ will exceed the temperature of the phantom 3, the voltage at the input of the photosensitive detector 9 will change the sign to the opposite, which will lead to a decrease in the duration of the OUT pulses of the pulse-width modulator 10. This will reduce the heating intensity of the diseased organ and the corresponding decrease in its temperature to temperature phantom 3.

Таким образом, температура области человеческого тела или его органа, подлежащего лечению с помощью гипертермии, благодар действию цепи след щей обратной св зи, поддерживаетс с заданной степенью точности равной температуре фантома 3. Заданна точность поддержани температуры обеспечиваетс необходимым значением коэффициента передачи цепи обратной св зи, в которую входит фильтр 7,Thus, the temperature of the region of the human body or its organ to be treated with hyperthermia, due to the action of the follow-up feedback loop, is maintained with a predetermined degree of accuracy equal to the temperature of the phantom 3. The preset accuracy of maintaining the temperature is provided by the necessary value of the feedback loop transmission coefficient. which includes filter 7,

фазочуествительный детектор 9, широтно- импульсный модул тор 10 и генератор 11 СВЧ-колебаний.a phase-sensitive detector 9, a pulse-width modulator 10, and a microwave oscillator 11.

Claims

The claims

A device for microwave hyperthermia containing two annular antenna arrays, the output of a microwave oscillator is connected to the input of one of them, and a phantom is placed inside the other

human organ, radiometric receiver with temperature indicator, pulse-width modulator, the output of which is connected to the modulating input of the microwave oscillator, different

heme, which, in order to increase the efficiency of treatment by increasing the accuracy of maintaining the preset temperature of the diseased organ, a switch, a filter, a phase-sensitive detector, and

a rectangular pulser, the outputs of which are connected to the modulating inputs of the switch and the phase-sensitive detector, the outputs of the ring antenna arrays are connected to the inputs of the switch,

whose output is connected through a series-connected radiometric receiver, filter, and phase-sensitive detector to the input of a pulse-width modulator.