RU2203701C2 - Method for building electromagnetic signal distribution in ultra-high frequency hyperthermia radiator system - Google Patents
Method for building electromagnetic signal distribution in ultra-high frequency hyperthermia radiator system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2203701C2 RU2203701C2 RU2001108948/14A RU2001108948A RU2203701C2 RU 2203701 C2 RU2203701 C2 RU 2203701C2 RU 2001108948/14 A RU2001108948/14 A RU 2001108948/14A RU 2001108948 A RU2001108948 A RU 2001108948A RU 2203701 C2 RU2203701 C2 RU 2203701C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- electromagnetic signal
- emitters
- microwave
- resonator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) лучевой терапии для лечения злокачественных опухолей путем ее прогрева электромагнитной энергией СВЧ-диапазона, а также для создания технологических установок для локального прогрева крупногабаритных объектов. The invention relates to the field of medical technology and can be used to create devices for microwave therapy for the treatment of malignant tumors by heating it with electromagnetic energy in the microwave range, as well as to create technological installations for local heating of large objects.
Известны способы и устройства СВЧ-терапии, см., например: SU 1474943 A1, A 61 N 5/02, БИ 5 от 07.02.92, RU 2057576 C1, A 61 N 5/02, БИ 10 от 10.04.97, SU 1593668 A1, A 61 N 5/02, БИ 35 от 23.09.90, SU 1246452 A1, A 61 N 5/02, БИ 15 от 23.04.92, согласно которым СВЧ-прогрев осуществляют одним или двумя излучателями, подключенными к источнику СВЧ-энергии. Known methods and devices of microwave therapy, see, for example: SU 1474943 A1, A 61 N 5/02, BI 5 from 02/07/92, RU 2057576 C1, A 61 N 5/02, BI 10 from 04/10/97, SU 1593668 A1, A 61 N 5/02, BI 35 from 09/23/90, SU 1246452 A1, A 61 N 5/02, BI 15 from 04/23/92, according to which microwave heating is carried out by one or two emitters connected to a microwave source -energy.
Недостатком этих способов является то, что они не могут обеспечить эффективного локального прогрева из-за отсутствия необходимой для этого фокусировки электромагнитного поля. The disadvantage of these methods is that they cannot provide effective local heating due to the lack of the necessary focusing of the electromagnetic field.
Прототипом изобретения является способ формирования СВЧ-излучения при гипертермическом воздействии и устройство для его осуществления SU 1804793 A1, A 61 N 5/02, 1/40, А 61 В 6/03, БИ 12 от 30.03.93 г. Согласно этому способу локальный гипертермический прогрев тканей объекта для гипертермического нагрева осуществляют системой фазированных излучателей антенной решетки, каждый из которых связан с генератором СВЧ-сигнала через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь с регулятором фазового сдвига. The prototype of the invention is a method of forming microwave radiation during hyperthermic exposure and a device for its implementation SU 1804793 A1, A 61 N 5/02, 1/40, A 61 B 6/03, BI 12 from 03/30/93. According to this method, local hyperthermic heating of the tissues of the object for hyperthermic heating is carried out by a system of phased emitters of the antenna array, each of which is connected to the microwave signal generator through a separate amplitude-phase converter with a phase shift regulator.
Метод формирования СВЧ-излучения, описанный в этом способе, базируется на традиционных средствах построения фазированных антенных решеток, когда в целях фокусировки на отдельных излучателях с помощью регулятора фазового сдвига изменяется только фаза сигнала, а амплитуда остается неизменной. The method of generating microwave radiation described in this method is based on traditional means of constructing phased antenna arrays, when, in order to focus on individual emitters using a phase shift controller, only the signal phase changes, and the amplitude remains unchanged.
Недостатком этого способа формирования СВЧ-излучения является то, что для фокусировки электромагнитного сигнала при гипертермическом нагреве в нем используют регулировку только фазового распределения сигнала в системе излучателей, а это в условиях воздействия в ближней зоне поля излучения излучателей на неоднородную среду с большими потерями, каким обычно является объект для гипертермического воздействия, не достаточно и влечет за собой побочные эффекты и травмирование соседних здоровых органов. The disadvantage of this method of generating microwave radiation is that for focusing the electromagnetic signal during hyperthermal heating, it uses only the adjustment of the phase distribution of the signal in the system of emitters, and this is under the influence of the emitters in the near field of the radiation field on an inhomogeneous medium with large losses, as usual is an object for hyperthermic exposure, is not enough and entails side effects and trauma to neighboring healthy organs.
Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является снижение побочных эффектов и травматичности при СВЧ гипертермии за счет повышения точности фокусировки электромагнитного поля в заданной зоне нагрева. The technical problem of the invention is solved by reducing side effects and trauma during microwave hyperthermia by increasing the accuracy of focusing the electromagnetic field in a given heating zone.
Решаемая техническая задача в способе формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии в первом варианте путем управления фазой электромагнитного сигнала генератора сверхвысокой частоты на входах отдельных излучателей, достигается тем, что регулируют амплитуду электромагнитного сигнала на соответствующем излучателе посредством изменения в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, коэффициента связи электрического или магнитного зонда, связанного с соответствующим излучателем, посредством изменения глубины погружения зонда внутрь волновода в точке, отстоящей от соседних зондов на расстояние d = n•λ/2±λ/2, где n = 1, 2, 3, ... - целое число, λ - длина электромагнитной волны в волноводе, при этом величину коэффициента связи каждого зонда с волноводом изменяют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, а величину нагрузки волновода настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора сверхвысокой частоты. The technical problem to be solved in the method of generating the distribution of the electromagnetic signal in the system of emitters for microwave microwave in the first embodiment, by controlling the phase of the electromagnetic signal of the microwave generator at the inputs of individual emitters, is achieved by adjusting the amplitude of the electromagnetic signal on the corresponding emitter by changing from 0 to 100 % of power taken away from the generator by an ultrahigh frequency, coupling coefficient of the electric or magnetic zones a, associated with the corresponding emitter, by changing the immersion depth of the probe inside the waveguide at a point spaced from the neighboring probes by a distance d = n • λ / 2 ± λ / 2, where n = 1, 2, 3, ... is an integer , λ is the wavelength of the electromagnetic wave in the waveguide, while the magnitude of the coupling coefficient of each probe with the waveguide is varied from 0 to 100% of the power extracted from the microwave generator, and the waveguide load is configured to absorb from 0 to 100% of the output power of the microwave generator .
Решаемая техническая задача в способе формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии во втором варианте путем управления фазой электромагнитного сигнала генератора сверхвысокой частоты на входах отдельных излучателей. достигается тем, что регулируют амплитуду электромагнитного сигнала на соответствующем излучателе посредством изменения в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, коэффициента связи электрического или магнитного зонда, связанного с соответствующим излучателем, посредством изменения глубины погружения зонда внутрь резонатора в точке, отстоящей от соседних зондов на расстояние d = n•λ/2±λ/2, где n = 1, 2, 3, ... - целое число, λ - длина электромагнитной волны в волноводе, при этом величину коэффициента связи каждого зонда с волноводом изменяют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, а величину нагрузки волновода настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора сверхвысокой частоты. The technical problem to be solved is in the method for generating the distribution of the electromagnetic signal in the system of emitters for microwave hyperthermia in the second embodiment by controlling the phase of the electromagnetic signal of the microwave generator at the inputs of individual emitters. this is achieved by adjusting the amplitude of the electromagnetic signal at the respective emitter by changing from 0 to 100% of the power output from the microwave generator, the coupling coefficient of the electric or magnetic probe associated with the corresponding emitter, by changing the immersion depth of the probe inside the resonator at a distance from neighboring probes to a distance d = n • λ / 2 ± λ / 2, where n = 1, 2, 3, ... is an integer, λ is the length of the electromagnetic wave in the waveguide, and the magnitude of the coupling coefficient is of a probe with a waveguide is varied in the range from 0 to 100% of the power output from the microwave generator, and the waveguide load is tuned to absorb from 0 to 100% of the output power of the microwave generator.
На фиг. 1 изображен первый вариант структурной схемы установки, реализующей способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для СВЧ гипертермии на основе волновода. In FIG. 1 shows the first variant of the structural diagram of the installation, which implements the method of forming the distribution of the electromagnetic signal in the system of emitters for microwave hyperthermia based on the waveguide.
На фиг. 2 изображен второй вариант структурной схемы установки, реализующей способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для СВЧ гипертермии на основе резонатора. In FIG. Figure 2 shows a second variant of the installation’s structural diagram that implements a method for generating the distribution of an electromagnetic signal in a system of emitters for microwave hyperthermia based on a resonator.
Она состоит из генератора СВЧ сигнала 1, подключенного к волноводу 2, нагруженного на нагрузку 3. В стенках волновода 2 выполнены с шагом d = n•λ/2±λ/2 m отверстий 4 диаметром dот<<λ, где m - натуральный ряд чисел. С наружной стороны на отверстия 4 установлены металлические патрубки 5 диаметром dп<<λ и длиной L≥λ/4. Отверстия 4 используются для подключения р излучателей 6 к волноводу 2 электрическими зондами 7, соединенными с излучателями 6 линиями 8 через регуляторы фазового сдвига 9, где 0≤р≤m. Часть отверстий (m-р) остаются свободными и закрываются крышками 10. При необходимости они позволяют увеличить число излучателей 6 до m или изменить место подключения к волноводу 2 любых из р работающих излучателей 6. Излучатели 6 размещены относительно объекта нагрева 11 в соответствии с требованием фокусировки электромагнитного поля. В приведенном примере для распределения сигнала вместо волновода 2 может быть использован резонатор 12, изображенный на фиг. 2. В цепь каждого излучателя включен направленный ответвитель 13, с которого сигнал подается на автоматический измеритель комплексного коэффициента передачи 14, осуществляющий контроль амплитуды и фазы токов на входах излучателей 6.It consists of a
Аналогично может быть реализована схема с помощью резонатора 12, показанного на фиг. 2. Similarly, a circuit using the resonator 12 shown in FIG. 2.
Рассмотрим осуществление способа на примере установки, собранной по схеме, представленной на фиг. 1 и 2, для первого и второго вариантов. Формирование распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей 6 для СВЧ гипертермии осуществляют следующим образом. Излучатели 6, установленные относительно объекта нагрева 11 в соответствии с требованием фокусировки их излучения, подключают с помощью линий 8, регуляторов фазового сдвига 9 и зондов 7 к волноводу 2 через отверстия 4 и патрубки 5. Величина связи зондов 7 с волноводом 2 определяется коэффициентами связи α и устанавливается в соответствии с требуемым амплитудным распределением электромагнитного сигнала по излучателям 6. (См., например, Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д. И. - М.: Советское радио, 1972, c. 54, выражение (3.2) - αn = Pn/(Pn-Pпр), где αn - коэффициент n-го излучателя (зонда) с волноводом, Рn - мощность, излучаемая n-м излучателем, Рпр - мощность, проходящая дальше по линии). Волновод 2 нагружают на нагрузку 3, настроенную на поглощение от 0 до 100% мощности генератора СВЧ 1, обеспечивающую защиту генератора СВЧ 1 по рассогласованию и выравнивание распределения поля вдоль волновода 2. Нагрузка 3 поглощает оставшуюся часть мощности электромагнитного сигнала генератора СВЧ 1, не использованного для гипертермического нагрева. Величина этой оставшейся части мощности определяется (см., например, Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д.И. - М.: Советское радио, 1972, c.129, выражение (5.9) - ΣPn = 1-PL, где РL - мощность, поглощаемая в нагрузке). Для случая в первом варианте с волноводом 2 эта нагрузка берется согласованной и рассчитанной на поглощение оставшейся части мощности, величина которой в зависимости от величины мощности, отводимой на излучатели 6, в пределе может изменяться от 0 до 100% мощности генератора СВЧ 1. При этом в волноводе 2 устанавливается режим бегущей волны, распределение поля вдоль волновода 2 выравнивается и связь зондов 7 с волноводом 2 становится не критичной к продольной координате точки подключения зонда 7 к волноводу 2. Во втором варианте для случая с резонатором 12 эта нагрузка берется рассчитанной на поглощение этой оставшейся части мощности PL, величина которой в пределе также может изменяться от 0 до 100% мощности генератора СВЧ 1, а требование согласования с волноводом на нее не накладывают. При этом она обеспечивает защиту генератора СВЧ 1 от рассогласования и сглаживает за счет снижения добротности распределение поля в резонаторе 12.Let us consider the implementation of the method using an example of an assembly assembled according to the circuit shown in FIG. 1 and 2, for the first and second options. The formation of the distribution of the electromagnetic signal in the system of emitters 6 for microwave hyperthermia is as follows. The emitters 6 installed relative to the heating object 11 in accordance with the requirement of focusing their radiation are connected via lines 8, phase shift regulators 9 and
Регулировка распределения поля по амплитуде и фазе между излучателями 6 осуществляется следующим образом. Изменение амплитуды сигнала на конкретном излучателе 6 выполняют путем изменения коэффициента связи соответствующего зонда 7 с волноводом 2. Эта регулировка производится за счет изменения глубины погружения зонда 7 через отверстие 4 и патрубок 5 внутрь волновода 2. Изменение амплитуды наведенного сигнала на зонд 7 от глубины его погружения внутрь волновода 2 имеет вид Uо≈sin kh, если он выполнен в виде несимметричного электрического зонда, где k - волновое число, h - глубина погружения зонда 7. В случае зонда 7 в виде магнитного диполя эта зависимость имеет место и от угла его разворота в поле волновода 2. (См., например, Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - M. : Связь, 1983, с. 220-224, выражения (9.62-9.64)). Длина патрубка 5 L≥λ/4 обеспечивает полную регулировку по величине связи в случае, если зонд 7 выполнен четвертьволновым и уменьшает утечку электромагнитной энергии за счет ее ослабления в патрубке 5, как в запредельном волноводе 2. Регулировка фазы осуществляется регуляторами фазового сдвига 9, включенными в цепь каждого излучателя 6. Контроль амплитуды и фазы сигнала в цепи каждого излучателя 6 осуществляют по сигналу, отводимому направленным ответвителем 13, автоматическим измерителем комплексного коэффициента передачи 14, например, Р4-23.Adjusting the distribution of the field in amplitude and phase between the emitters 6 is as follows. Changing the amplitude of the signal at a particular emitter 6 is performed by changing the coupling coefficient of the
По предложенной методике была собрана и испытана установка, состоящая из магнетронного генератора на магнетроне М 136 с мощностью 600 Вт с нерегулируемым выходом, подключенного к волноводу сечением 45х90 мм, нагруженному на конце на согласованную нагрузку. В широкой стенке волновода предусмотрено десять точек для включения электрических зондов. Мощность, поглощаемая в нагрузке, около 30% выходной мощности генератора. Это обеспечило защиту генератора по рассогласованию, выровняло распределение поля вдоль волновода и, соответственно, сделало менее критичным величину отводимого сигнала от места включения зонда. According to the proposed methodology, an assembly consisting of a magnetron generator on a M 136 magnetron with a power of 600 W with an unregulated output connected to a waveguide with a section of 45x90 mm, loaded at the end to a matched load, was assembled and tested according to the proposed method. In the wide wall of the waveguide, ten points are provided for switching on the electric probes. The power absorbed in the load is about 30% of the generator output power. This ensured the generator protection by mismatch, evened out the field distribution along the waveguide and, accordingly, made the magnitude of the output signal from the point where the probe was turned on less critical.
Испытания установки показали, что излучающая система из четырех подвижных излучателей, отводящих из волновода 70% мощности генератора, обеспечивает перестройку фокуса поля излучения излучателей в цилиндрическом сосуде диаметром 2R = 150 мм с соленой водой в пределах круга поперечного сечения сосуда. Так в процессе перестройки фокуса из центра круга, когда распределение амплитуд сигнала между излучателями было равномерным, к его краю на расстоянии 0,6R от центра наряду с регулировкой фазы сигнала производилась и регулировка амплитуды сигнала на отдельных излучателях в пределах 10 дБ. Эта регулировка осуществлялась путем изменения коэффициента связи зондов с волноводом и точки их подключения. Расположение излучателей было симметричным для положения фокуса в центре круга поперечного сечения цилиндра. И секторным с углом 140o при смещении точки фокуса на 0,6R. В первом случае распределение поля по излучателям было равноамплитудным, во втором нормированные значения амплитуд соответственно имели значения U1 = 0,24; U2 = 1; U3 = 1; U4 = 0,24.Tests of the installation showed that the emitting system of four movable emitters, diverting 70% of the generator power from the waveguide, provides for the re-focusing of the emitter radiation field in a cylindrical vessel with a diameter of 2R = 150 mm with salt water within the circle of the vessel cross section. So in the process of adjusting the focus from the center of the circle, when the distribution of the signal amplitudes between the emitters was uniform, to the edge at a distance of 0.6R from the center along with adjusting the phase of the signal, the signal amplitude was also adjusted on individual emitters within 10 dB. This adjustment was carried out by changing the coupling coefficient of the probes with the waveguide and the point of their connection. The arrangement of the emitters was symmetrical for the focus position in the center of the circle of the cylinder cross section. And sector with an angle of 140 o with a shift of the focal point by 0.6R. In the first case, the field distribution over the emitters was uniformly amplitude, in the second, the normalized values of the amplitudes respectively had the values U 1 = 0.24; U 2 = 1; U 3 = 1; U 4 = 0.24.
Таким образом, проведенные испытания показали возможность локального нагрева объекта для гипертермического воздействия и перестройку положения фокуса электромагнитного излучения излучателей в области этого объекта. Соответственно, такое управление распределением электромагнитного поля СВЧ внутри объекта для гипертермического воздействия будет приводить по сравнению с прототипом к снижению травматичности соседних с точкой фокуса органов. Thus, the tests showed the possibility of local heating of the object for hyperthermic exposure and the restructuring of the focus position of the electromagnetic radiation of the emitters in the region of this object. Accordingly, such control of the distribution of the microwave electromagnetic field inside the object for hyperthermic exposure will lead, in comparison with the prototype, to reduce the morbidity of organs adjacent to the focal point.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001108948/14A RU2203701C2 (en) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | Method for building electromagnetic signal distribution in ultra-high frequency hyperthermia radiator system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001108948/14A RU2203701C2 (en) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | Method for building electromagnetic signal distribution in ultra-high frequency hyperthermia radiator system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001108948A RU2001108948A (en) | 2003-02-20 |
RU2203701C2 true RU2203701C2 (en) | 2003-05-10 |
Family
ID=20248000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001108948/14A RU2203701C2 (en) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | Method for building electromagnetic signal distribution in ultra-high frequency hyperthermia radiator system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2203701C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2320059A1 (en) * | 2000-01-07 | 2009-05-18 | Joaquin Suros Frigola | Generator device of UHF waves for diathermia |
WO2011143095A3 (en) * | 2010-05-10 | 2013-03-21 | Raytheon Company | Multiple e-probe waveguide power combiner/divider |
RU2812581C1 (en) * | 2023-07-11 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Method of inhibiting growth of tumor cells using magnetic resonance hyperthermia and aptamer-targeted magnetic nanoparticles |
-
2001
- 2001-04-04 RU RU2001108948/14A patent/RU2203701C2/en active
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2320059A1 (en) * | 2000-01-07 | 2009-05-18 | Joaquin Suros Frigola | Generator device of UHF waves for diathermia |
WO2011143095A3 (en) * | 2010-05-10 | 2013-03-21 | Raytheon Company | Multiple e-probe waveguide power combiner/divider |
US9019036B2 (en) | 2010-05-10 | 2015-04-28 | Raytheon Company | Multiple E-probe waveguide power combiner/divider |
US9030268B2 (en) | 2010-05-10 | 2015-05-12 | Raytheon Company | Multiple E-probe waveguide power combiner/divider |
RU2812581C1 (en) * | 2023-07-11 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Method of inhibiting growth of tumor cells using magnetic resonance hyperthermia and aptamer-targeted magnetic nanoparticles |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wu et al. | Ka-band near-field-focused 2-D steering antenna array with a focused Rotman lens | |
RU2134924C1 (en) | Phased-array transmitting antenna assembly (design versions) and antenna array manufacturing process | |
Wu et al. | Proactive conformal antenna array for near-field beam focusing and steering based on curved substrate integrated waveguide | |
US4397313A (en) | Multiple microwave applicator system and method for microwave hyperthermia treatment | |
US4589424A (en) | Microwave hyperthermia applicator with variable radiation pattern | |
Li et al. | Microstrip array antenna with 2-D steerable focus in near-field region | |
US3765021A (en) | Adjustable aperture antenna employing dielectric and ferrimagnetic material | |
US11742586B2 (en) | Lens-enhanced communication device | |
US11848496B2 (en) | Lens-enhanced communication device | |
CN110112551B (en) | Reconfigurable Bessel antenna with adjustable non-diffraction beam direction | |
US3765024A (en) | Antenna array with pattern compensation during scanning | |
Burghignoli et al. | Synthesis of broad-beam patterns through leaky-wave antennas with rectilinear geometry | |
US5017928A (en) | Low sidelobe array by amplitude edge tapering the edge elements | |
RU2203701C2 (en) | Method for building electromagnetic signal distribution in ultra-high frequency hyperthermia radiator system | |
US6184838B1 (en) | Antenna configuration for low and medium earth orbit satellites | |
US3553692A (en) | Antenna arrays having phase and amplitude control | |
US2961658A (en) | Microwave energy radiators | |
US10741917B2 (en) | Power division in antenna systems for millimeter wave applications | |
GB2189650A (en) | Steerable beam transmitters | |
Haghshenas-Kashani et al. | Design of wideband dielectric near-field lens for medical applications in tumor treatment | |
Bahl et al. | Aperture coupling between dielectric image lines | |
Kim et al. | Huygens’-metasurface-assisted reconfigurable leaky-wave antennas with dynamically-controlled radiation patterns | |
Kim et al. | A fixed-frequency reconfigurable holographic leaky-wave antenna for dynamically-controlled radiation patterns | |
AU9108198A (en) | Method and apparatus for compensation of diffraction divergence of beam of an antenna system | |
Bankov | A Bifocal Focused Two-Dimensional Frequency-Scanned Array |