WO2017157690A1

WO2017157690A1 - Mikrowellen-applikator und system zur minimal-invasiven behandlung von biologischem gewebe

Info

Publication number: WO2017157690A1
Application number: PCT/EP2017/054953
Authority: WO
Inventors: Ralf Jakoby; Margarita Puentes-Damm; Carolin Reimann
Original assignee: Technische Universität Darmstadt
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2017-09-21
Also published as: DE102016104662A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Mikrowellen-Applikator zur Behandlung von biologischem Gewebe, wobei der Applikator mindestens einen ringförmigen Resonator (R1, R1 `.... ) aufweist, der als zweidimensionales Gebilde auf einem flexiblen Substrat eines planeren, insbesondere koplanaren Wellenleiters (CPW), aufgebracht ist, der unter Anlegen eines hochfreguenten Signals den mindestens einen ringförmigen Resonator anregt, Mikrowellen fokussiert in das Gewebe einzubringen. Zur minimal-invasiven Behandlung des biologischen Gewebes weist der mindestens eine ringförmige Resonator (Rl, Rl λ... ) zwei verschieden große Ausdehnungen (a, b) auf, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen erstrecken. Der Applikator kann zumindest abschnittsweise zu einem rohrförmigen Gebilde, insbesondere als oder für einen Tubus, geformt werden, indem die längsseitigen Bereiche des Substrats umgebogen und/oder aufgerollt werden. Der Wellenleiter kann auch z.B. eine Mikrostreifenleitung sein. Als Resonatoren können z.B. geschlitzte Ring-Resonatoren als auch Spiral-Resonatoren eingesetzt werden.

Description

MIKROWELLEN-APPLIKATOR UND SYSTEM ZUR MINIMAL-INVASIVEN BEHANDLUNG VON BIOLOGISCHEM GEWEBE

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Applikator sowie ein System und ein Verfahren zur minimal-invasiven Behandlung von biologischem Gewebe, insbesondere von Organ-Gewebe.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Zur Behandlung von erkranktem Gewebe, insbesondere von Tumoren, unter Vermeidung einer Operation, sind verschiedene Ablations-Verfahren bekannt, wie z.B. die Radiofrequenz- Ablation (RFA) oder die Mikrowellen-Ablation (MWA) .

Insbesondere die MWA stellt eine effiziente minimal-invasive Methode dar, mit der ein exakt definiertes Ablationsvolumen behandelt werden kann. Die physikalische Grundlage der MWA- Methode ist eine durch Mikrowellen bewirkte Hitzeentwicklung im Gewebe, das in seiner Struktur verändert wird, so dass die

Tumorzellen absterben. Üblicherweise geht der Behandlung eine intensive Diagnose voraus, die mit Hilfe bildgebender Verfahren, wie MRT (Magnetresonanztomographie) oder CT (Computertomographie) durchgeführt wird. In dem Artikel „Dual Mode Microwave Tool for Dielectric Analysis and Thermal Ablation Treatment of Organic Tissue" von M. Puentes, F. Bashier, M. Schüßler und R. Jakoby, erschienen als Veröffentlichung auf der Konferenz "34^th Annual Int.

Conference of IEEE EMBS", San Diego, CA, USA, 28.08.- 01.09.2012, wird erstmals eine Vorrichtung und ein System offenbart, das sowohl für die Diagnose als auch für die Behandlung von erkranktem Gewebe verwendet werden kann. Dort wird ein „dual mode tool" (Fig. 1) in einer Testumgebung vorgestellt, das Mikrowellen in ein zu untersuchendes Gewebe („tissue under test") einbringt, um zum einen Messungen zum Erkennen von erkranktem Material durchzuführen und um zum anderen das erkrankte Gewebe mit thermischer Ablation zu behandeln. Somit kann die dortige Vorrichtung als Prototyp für einen Mikrowellen-Applikator aufgefasst werden, der für Diagnose und Therapie eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung bzw. der Applikator ist mit mehreren ringförmigen Resonatoren in Form von geschlitzten Ring-Resonatoren (sog. Split-Ring- Resonatoren) versehen, die auf dem Substrat eines planaren, insbesondere koplanaren, Wellenleiters aufgebracht sind, der unter Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung die geschlitzten Ring-Resonatoren anregt, Mikrowellen fokussiert in das Gewebe einzubringen. Verwiesen wird auch auf „2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in

Medicine and Biology Society", 2012, Seiten 4026-4029, sowie auf „Frequency multiplexed 2-dimensional sensor array based on split-ring resonators for organic tissue analysis", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 60. Jg., Nr. 6, auf Seiten 1720-1727.

Der bekannte Aufbau soll für minimal-invasive Eingriffe weiter verbessert werden. Dabei stellt sich das Problem, dass die Dimensionierung des Applikators weiter verkleinert werden soll, auf etwa 2 mm in der Weitenausdehnung (siehe Y- und Z- Achse in Fig. 1) und etwa 20 mm in der Längenausdehnung (X- Achse) .

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, einen Applikator der eingangs genannten Art für minimal-invasive Eingriffe zu verbessern, und insbesondere seine Dimensionierung weiter zu verkleinern, ohne Einschränkungen in Wirkung und Effizienz hinzunehmen .

Gemäß der Erfindung wird ein Mikrowellen-Applikator vorgeschlagen, der zur minimal-invasiven Behandlung von biologischem Gewebe so gestaltet ist, dass der mindestens eine ringförmige Resonator (z.B. geschlitzter Ring-Resonator oder

Spiral-Resonator) zwei verschieden große Ausdehnungen aufweist, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen erstrecken. Demnach werden anstelle von kreisrunden oder voll-quadratischen Ringen bzw. Spiralen nun ovale, elliptische oder rechteckige Ringe bzw. Spiralen ausgebildet, die eine Längenausdehnung und eine Breitenausdehnung aufweisen. Durch diese unsymmetrische, quasi gestauchte, Formgebung wird erreicht, dass unter Berücksichtigung der minimierten Querschnitts-Dimensionierung des Applikators auf wenige Millimeter die Anregungsfrequenz abgesenkt werden kann, beispielsweise von 40 GHz auf etwa 10 GHz.

Um die für eine Ablation erforderliche Temperatur von etwa 60- 80°C zu erreichen, kann im Behandlungsmodus mit einer relativ geringen Leistung von 0,1-20 Watt gearbeitet werden. Demzufolge führt die Formgebung der Ring-Resonatoren zu einer sehr effizienten minimal-invasiven Ablation (Entfernen) von Gewebe. Vorzugsweise beträgt die Größe der ersten Ausdehnung (Längenausdehnung) des jeweiligen Ring-Resonators zumindest das 1,2-fache der Größe der zweiten Ausdehnung (Querausdehnung) ; in bevorzugten Ausführungen beträgt die

Längenausdehnung sogar das 2,5 bis 3-fache der Querausdehnung. Der jeweilige geschlitzte Ring-Resonator ist ein zweidimensionales Gebilde mit beispielsweise einer ovalen oder elliptischen Form; er kann ggf. auch eine rechteckige Form aufweisen, die an den Ecken abgerundet ist.

Unter dem Begriff „planarer Wellenleiter" wird hier ede Art von einem flächig ausgestaltetem Gebilde verstanden werden, das elektromagnetische Wellen leiten kann. Insbesondere sollen darunter auch „koplanare Wellenleiter" verstanden werden, die unter der Bezeichnung „coplanar wave guides" an sich bekannt sind. Ebenso sind auch „Mikrostreifenleitungen" mit umfasst, die unter der Bezeichnung „microstrip transmission lines" oder auch kurz „microstrips" an sich bekannt sind.

Unter dem Begriff „ringförmiger Resonatoren" sollen hier jede Art von flächig ausgestalteten Gebilden verstanden werden, die an oder in die Struktur von planaren Wellenleitern eingebracht werden. Insbesondere sollen darunter auch „geschlitzte Ring- Resonatoren" verstanden werden, die unter der Bezeichnung „Split-Ring-Resonators" an sich bekannt sind. Ebenso sind auch „komplementäre geschlitzte Ring-Resonatoren" mit umfasst, die unter der Bezeichnung „Complementary Split-Ring Resonators" an sich bekannt sind und vorzugsweise durch Ätzen in einem leitfähigem Material ausgebildet werden. Allgemein soll unter „ringförmiger Resonator" auch jede zu einem Ring ähnliche oder äquivalente Form verstanden werden, so dass z.B. auch Spiral-

Resonatoren mit umfasst sind. In einer der bevorzugten Ausführungsformen kann der Applikator mittels eines koplanaren Wellenleiters mit flexiblem Substrat aufgebaut und zumindest abschnittsweise zu einem rohrförmigen Gebilde, insbesondere als oder für einen Tubus, geformt werden, indem die längsseitigen Bereiche des koplanaren Wellenleiters zumindest abschnittweise umgebogen und/oder gerollt und zueinander geführt werden. Dafür ist die Verwendung von flexiblen Substratmaterial notwendig und/oder die Verwendung von bereits zylindrisch geformten Materialien. Es können auch andere nicht-koplanare Wellenleiter, wie z.B. Mikrostreifen-

Leitungen, verwendet werden.

Der Applikator kann auch mittels einer Mikrostreifenleitung aufgebaut sein, deren Struktur einen Ground-Layer (Ebene bzw. Schicht für Erdung/Masseanschluss) aufweist, in dem der mindestens eine ringförmige Resonator eingebracht ist, insbesondere als komplementärer geschlitzter Ring-Resonator oder Spiral-Resonator eingeätzt ist.

Vorzugsweise ist der Applikator beschaffen, um in einem Diagnose-Modus und in einem Behandlungs-Modus (TMOD) betrieben zu werden. Dabei wird er z.B. im Diagnose-Modus mit einer ersten, geringeren Leistung von wenigen mW (z.B. 1-5 mW) betrieben und wird im Behandlungs-Modus mit einer zweiten, höheren Leistung (z.B. 0,1-20 Watt) betrieben, die mindestens das 10-fache der ersten Leistung beträgt. Für die Diagnose, aber auch für die Behandlung größerer

Gewebestellen ist es vorteilhaft, wenn der Applikator ein Array mit mindestens zwei ringförmigen Resonatoren aufweist, welche verschiedene Dimensionierungen/ Größen aufweisen können. Insbesondere kann das Array paarweise angeordnete ringförmige Resonatoren aufweisen, die auf der Rückseite des Substrats des

Wellenleiters aufgebracht sind, der insbesondere als ein koplanarer Wellenleiter ausgebildet ist. Das Array kann auch an einer Mikrostreifenleitung oder jeder anderen Art von planarem Wellenleiter realisiert werden. Des Weiteren kann das Array auch verschieden große Ring-Resonatoren aufweisen, die insbesondere in Einführrichtung des Applikators hintereinander angeordnet sind. Hierdurch können unter Einsatz von Frequenzmultiplex mehrere Resonanz-Peaks erzeugt werden, und es kann schnell anhand von relativen Vergleichen der Peaks miteinander erkannt werden, an welcher Stelle (an welchem der Ring-Resonatoren) das untersuchte Gewebe am deutlichsten Abweichungen von normalem Gewebe zeigt. Durch die Anordnung verschieden großer Ring-Resonatoren kann im Behandlungs-Modus gezielt die Stelle des abnormalen Gewebes mit Mikrowellen- Ablation behandelt werden.

Das Array kann beispielsweise mittels einer Metamaterial- inspirierten Struktur in Gestalt eines zwei-dimensionalen, geschlitzten Ring-Resonators ausgebildet werden. Auch kann das Array durch Ätzen von ringförmigen Gebilden in Form von komplementären geschlitzten Ringen ausgebildet werden. Ebenso können hierfür Spiral-Ringe oder dergleichen ausgebildet werden (komplementär oder auch nicht-komplementär) .

Die Erfindung stellt auch ein System zur Behandlung von biologischem Gewebe bereit, wobei das System einen Hochfrequenz-Oszillator, einen zuschaltbaren Verstärker und einen Modus-Umschalter (in Hard- und/oder Software realisiert) aufweist sowie einen daran anschließbaren Mikrowellen- Applikator, der erfindungsgemäß mindestens einen ringförmigen Resonator mit zwei verschieden großen Ausdehnungen aufweist, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen erstrecken. Vorzugsweise kann das System beschaffen sein, mit mindestens zwei austauschbaren Applikatoren konfiguriert zu werden . Außerdem offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe, wobei mit Hilfe eines Mikrowellen- Applikators die Mikrowellen-Energie fokussiert in das Gewebe eingebracht werden, wobei ein Applikator verwendet wird, der mindestens einen ringförmigen Resonator mit zwei verschieden großen Ausdehnungen aufweist, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen erstrecken. Das Verfahren kann derart ausgestaltet sein, dass der Applikator im Diagnose-Modus mit einer ersten Leistung betrieben wird und im Behandlungs-Modus mit einer zweiten Leistung betrieben, die mindestens das 10- fache der ersten Leistung beträgt.

Das Verfahren kann auch in einer MRT-Umgebung (Magnetresonanztomographie) zur Anwendung kommen, wobei vorzugsweise eine Thermografie bzw. ein danach arbeitendes bildgebendes Verfahren, durchgeführt wird.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich auch aus den Unteransprüchen. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Dual-Mode-Mikrowellen-

Applikator vorgestellt, der sowohl für den Einsatz bei der Diagnose als auch bei der Therapie von organischem Gewebe eingesetzt werden kann, wobei u.a. der Vorteil besteht, dass vom Diagnose-Modus in den Therapie-Modus umgeschaltet werden kann, ohne den Applikator entfernen oder neu positionieren zu müssen. Somit kann die Behandlung (Ablation) exakt an der Stelle erfolgen, an welcher das erkrankte Gewebe lokalisiert wurde . Nachfolgend werden die Erfindung und die sich daraus ergebenden

Vorteile im Detail anhand von Ausführungs-beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben, welche folgende Darstellungen wiedergeben: Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Applikators an seinem

Kopfende ;

Fig. 2a zeigt in einer Draufsicht, basierend auf einer

koplanaren Struktur, den Aufbau eines Arrays mit mehreren geschlitzten Ring-Resonatoren;

Fig. 2b zeigt dazu den Aufbau in einer Querschnittsansicht; Fig. 3 veranschaulicht den Einsatz des Applikators zur

Diagnose an einem zu untersuchenden Organ (hier die Leber) ;

Fig. 4 veranschaulicht im Vergleich dazu den Einsatz des

Applikators zur Behandlung von organischem Gewebe durch thermische Ablation;

Fig. 5 zeigt als Blockschaltbild ein System mit

Applikator, der im Diagnose-Modus und im

Behandlungs-Modus betrieben werden kann;

Fig.6 zeigt die Verschiebung der Resonanzfrequenz anhand des gemessenen Frequenzverlaufs eines elliptischen, geschlitzten Ring-Resonators verdeutlicht; Fig. 7a-d zeigen verschiedene Formgebungen für geschlitzte

Ring-Resonatoren und deren Dimensionierungen;

Fig. 8 zeigt einen Testaufbau für Untersuchungen an zu testendem Gewebe;

Fig. 9 zeigt als Variante zur Fig. 2b einen Sandwich- Aufbau eines koplanaren Wellenleiters zwischen zwei

Substraten, auf denen jeweils ein Array mit Ringen ausgebildet ist;

Fig. lOa-c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Applikator ein flexibles Substrat aufweist und zumindest abschnittsweise zu einem rohrförmigen

Gebilde geformt wird, das in einen Tubus eingeführt werden kann; Fig. lla-c zeigen eine Variante dazu, bei der ein Tubus- förmiger Applikator gebildet wird, der zwei Paare von geschlitzten Ring-Resonatoren aufweist;

Fig. 12a/b zeigen ein Ausführungsbeispiel mittels einer

Mikrostreifenleitung, in dessen Ground-Layer zwei

Spiral-Resonatoren als komplementäre Gebilde eingeätzt worden sind; und

Fig. 13a/b veranschaulichen den Aufbau bzw. die Struktur eines Spiral-Resonators, wobei die Fig. 13a einen komplementären Aufbau und die Fig. 13b einen nichtkomplementären Aufbau darstellen.

Auf die Figuren 1, 2a und 2b wird gemeinsam Bezug genommen, um den prinzipiellen Aufbau und die Struktur eines erfindungsgemäßen Applikators zu beschreiben.

Die Fig. 1 zeigt das Kopfende 120 des Applikators 100, der perkutan, minimal-invasiv in den menschlichen oder tierischen Körper eingeführt werden kann. Das Kopfende 120 ist etwa 2x2mm groß in seiner Querschnittsausdehnung und ist aus einem bio- und MRT-kompatiblen Material gefertigt, hier z.B. aus einem flexiblen Substrat, insbesondere aus LCP-basiertem Laminat (LCP: Liquid Crystal Polymere bzw. Flüssigkristallpolymer). Es können auch Alumina-Werkstoffe, insbesondere Aluminiumoxid- Keramik, zum Einsatz kommen. Im Innern befindet sich der eigentliche funktionelle Teil in Gestalt eines Arrays 110, auf dem mehrere geschlitzte Ring-Resonatoren (auch Split-Ring- Resonatoren oder kurz SRR genannt) angeordnet sind. Die Split- Ring-Resonatoren stehen hier beispielhaft für alle Arten von ringförmigen Resonatoren, und werden vereinfachend im Nachfolgenden auch kurz mit „SRR" bezeichnet.

Der Aufbau des Arrays 110 wird anhand der Fig. 2a/b besonders gut deutlich. Ausgegangen wird von einem planaren Wellenleiter PW, der hier als koplanarer Wellenleiter CPW ausgebildet ist und der im Wesentlichen aus einem Substrat S und aufgedampften Leiterbahnen (Microstrips) besteht, die eine innere Leiterbahn LM und zwei äußere Leiterbahnen LA und LA ausbilden. Der Wellenleiter ist in Fig. 2b im Querschnitt mit Blick auf die Stirnseite dargestellt, woraus ersichtlich wird, dass auf der

Rückseite des Substrats S mehrere Ringe Rl , ... R3 ^λ (s. auch Fig. 2a) aufgebracht sind, so dass diese sich sehr nahe zu den Spalten zwischen den Leiterbahnen befinden, um beim Einspeisen hochfrequenter Signale U die Ringe anzuregen. Die Ringschlitze befinden sich möglichst nicht im Bereich der

Leiterbahnspalten, sondern orthogonal dazu. Dabei wirken die jeweiligen Ring-Schlitze feld-verstärkend und fokussierend . Die ovale Formgebung der Ringe bewirkt, dass -bei gegebener Limitierung der Größe (z.B. auf 2 mm Durchmesser)- die Resonatoren mit z.B. einer Frequenz von weniger als 12 GHz betrieben werden können, wo hingegen bei kreisrunden Ringen in der Regel wesentlich höhere Frequenzen von etwa 40 GHz und mehr erforderlich wären.

Auch kann der die gestauchten Resonatoren (s. auch Fig. 7a-d) aufweisende Applikator mit einer relativ geringen Leistung von einigen Watt und weniger im Behandlungsmodus betrieben werden, um eine wirksame Temperatur von mindestens 60° C zwecks Ablation zu erzeugen. Im Diagnose-Modus ist sogar nur etwa 1 mW erforderlich, so dass das System sehr energie-effizient arbeiten kann. Auch wird der Patient bzw. das zu behandelnde

Organ nur sehr gering belastet. Wie die Fig. 2a zeigt, kann der Wellenleiter CPW auch direkt mit einem Koaxialkabel K (z.B. 50 Ohm) verbunden werden, über welches das hochfrequente Signal U eingespeist wird.

Auf der Rückseite des Substrats S sind paarweise die Ringe in zwei Reihen nacheinander aufgebracht, so dass ihre Längenausdehnung sich in Längsrichtung des Substrats bzw. in Einführrichtung X des Applikators (s. Fig. 1) ausrichtet. Die Ringe bzw. Ring-Paare haben unterschiedliche Größen, so dass ihre Resonanzen verschieden sind, was für die Diagnose vorteilhaft ist. Dies wird später noch anhand der Fig. 6 beschrieben .

Die Anzahl der Ringschlitze, ihre Orientierung und die Ausprägung der Stauchung der Ringform kann an die erforderlichen Bedingungen angepasst werden.

Dies bezieht sich sowohl auf den Einsatz des Applikators bei der Behandlung von Gewebe mit Mikrowellen wie auch auf seinen Einsatz im Diagnosefall.

Die Fig. 3 veranschaulicht den Einsatz des Applikators 100 zur Diagnose an einem zu untersuchenden Organ, hier an der Leber eines Patienten. Zunächst wird der Applikator 100 perkutan und unter Beobachtung per MRT (Magnetresonanztomographie) oder anderer bildgebender Verfahren an die zu diagnostizierende Stelle geführt. Dann wird nach Abschalten des MRT der Applikator aktiviert und im Diagnose-Modus betrieben. Dies bedeutet, dass die ihm über das Koaxialkabel zugeführte Leistung (s. Sendesignal TS) relativ gering ist und nur 1 mW oder wenige Milli- att beträgt. Dies reicht aus, um durch die geschlitzten Ring-Resonatoren Mikrowellen mit ausreichender Energie in das Gewebe TT einzubringen. Eine über einen Frequenzbereich von z.B. 10-20 GHz durchgeführte Resonanz- Messung (s. Resonanz-Signal RS) gibt Aufschluss, ob sich erkranktes Gewebe dort im Bereich des Applikators 100 befindet.

Der Betrieb im Diagnose-Modus DMOD wird auch anhand der Fig. 5 verdeutlicht. Der Applikator 100 ist z.B. über ein Koaxialkabel an ein System 200 angeschlossen, das mit Hilfe eines Hochfrequenz-Oszillators 210 das gewünschte Sende-Signal

TS mit der besagten Leistung PI von etwa 1 mW erzeugt, um die Ring-Resonatoren auf dem Array 110 für eine Resonanz-Messung anzuregen .

Wenn z.B. drei verschieden große Ring-Resonatoren verwendet werden, so weist jeder Ring eine bestimmte Resonanz auf, die sich abhängig von dem jeweilig umgebenen Material verschiebt.

Für ein Array mit drei Ring-Paaren würden sich drei Peaks ausbilden, die eindeutig den Resonatoren zugeordnet werden können. Die Auswertung der vom Gewebe zurückkommenden Resonanz-Signale RS weist Verschiebungen der Frequenzlage der jeweiligen Spitzen auf (s. Fig. 6), wobei diese auf

Gewebeveränderungen, z.B. Tumore, schließen lassen können. Denn abnormales Gewebe bzw. deren Zellen weisen eine um 10-30% höhere Permittivitat als normales Gewebe auf. Durch einen relativen Vergleich, insbesondere der Verschiebung der Resonanzfrequenz kann man näher bestimmen, ob das Gewebe erkrankt ist, und kann auch den Ort genauer bestimmen.

Die Fig. 6 veranschaulicht die Verschiebung der Resonanzfrequenz anhand des gemessenen Frequenzverlaufs eines elliptischen geschlitzten Ring-Resonators. Die Struktur wurde vermessen, beladen mit Material, das zum Einen die dielektrischen Eigenschaften von gesundem Gewebe („normal phantom ) und zum Anderen von malignem Gewebe („tumor phantom" imitiert. Eine Resonanzfrequenzverschiebung von 100 MHz ist detektierbar .

Ist die Diagnose beendet und wurde erkranktes Gewebe lokalisiert, so kann der Applikator 100 an Ort und Stelle verbleiben, um anschließend im Behandlungs-Modus betrieben zu werden. Im System (s. Fig. 5) wird dazu der Schalter 230 auf den Behandlungs-Modus TMOD umgestellt, was im Wesentlichen eine Verstärkung des Sende-Signals TS bedeutet. Dazu verfügt das System über einen geeigneten Hochfrequenz-Signalverstärker 220, der ein Sendesignal mit einer Leistung von mehreren Watt, z.B. 20 , erzeugt und über das Koaxialkabel an das Array 110 abgibt .

Wie die Fig. 4 veranschaulicht regt der Applikator 100 dann an Ort und Stelle ein elektromagnetisches Feld an, das in das Gewebe eindringt und dort eine lokale Temperaturerhöhung bewirkt, die das Gewebe auf z.B. 65°C gezielt erwärmt. Es bilden sich im Bereich des jeweiligen Resonators heiße Stellen (hot spots) von etwa wenigen mm Durchmesser aus, so dass im Wesentlichen nur auf das kranke Gewebe eine thermische Ablation angewendet wird.

Die Dimensionierung des Arrays, seine Bestückung mit Resonatoren, deren Dimensionierung und Formgebung können auf die medizinischen Erfordernisse und Wünsche hin angepasst werden. So können anstelle von geschlitzten Ring-Resonatoren z.B. auch Spiral-Resonatoren zum Einsatz kommen. Grundsätzlich aber sollen hier gestauchte Ring- oder Spiral-Resonatoren eingesetzt werden, d.h. zwei-dimensionale ringartige Gebilde, die eine längere und eine kürzere Ausdehnung aufweisen. In Fig. 7a-d sind mögliche Formgebungen von geschlitzten Ring-

Resonatoren exemplarisch dargestellt.

In Fig. 7a wird ein ovaler Ring R01 mit einem Schlitz gezeigt; dieser kommt auch in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zum Einsatz. Hier sind auch die beiden verschiedenen Ausdehnungen a und b eingezeichnet. Die

Längsausdehnung a ist beispielsweise 1,2 - 1,8 mm lang; die Querausdehnung b beträgt beispielsweise nur etwa 0,45 mm. Vorzugsweise wird der jeweilige Ring mit seiner Längsdehnung a fluchtend mit der Längsrichtung des Arrays bzw. mit der Einführrichtung x des Applikators auf das Substrat aufgebracht. Die Fig. 7b zeigt ein doppelten ovalen Ring R02 (double oval SRR) mit je einem Schlitz im Innenring und Außenring, wobei die beiden Schlitze gegenüberliegend zueinander ausgerichtet sind. Die Fig. 7c zeigt ein einzelnen ovalen Ring R03, der zwei gegenüberliegende Schlitze aufweist. Die Fig. 7d zeigt noch einen Doppel-Ring R04 aus zwei nichtovalen ineinander liegenden Teilringen, die jeweils einen Schlitz aufweisen. Der Doppel-Ring R04 hat eine in Wesentlichen rechteckige Form, wobei die Ecken abgerundet sind, um dort störende Felderhöhungen zu vermeiden.

Die Fig. 8 zeigt eine Testumgebung 20 für Untersuchungen an zu testendem Gewebe TUT und veranschaulicht somit nochmals auch den Betrieb des Applikators im Behandlungs-Modus. Die Testumgebung enthält ebenfalls einen Hochfrequenz-Oszillator bzw. Synthesizer 21 und einen daran angeschlossenen Verstärker 22, dessen Ausgangsleistung mit Hilfe eines Richtkopplers 24 an einem Leistungsmesser 25 erfasst und überwacht werden kann.

Das erzeugte und verstärkte Signal geht auf einen Zirkulator 26, an dessen ersten Port die Lastimpedanz 27 angeschlossen ist und an dessen anderen Port ein Wellenleiter mit daran angeordneten geschlitzten Ring-Resonatoren 28 angeschlossen ist. Nun wird das Testgewebe TUT mit Mikrowellen bestrahlt, wobei der Synthesizer 21 mit der gewünschten Resonanz-Frequenz betrieben wird.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der Applikator 100 so beschaffen, dass er anstelle der Vorrichtung 28 (in Fig. 8) dort angeschlossen werden könnte, um eine Gewebe-Diagnose am menschlichen oder tierischen Körper unter minimal-invasivem Eingriff durchzuführen. Insbesondere der mit einem Array verschieden großer Ringe ausgestattete Applikator ist sowohl für die Diagnose wie auch für die anschließende Behandlung geeignet. Die Fig. 9 zeigt noch einen alternativen Array-Aufbau zu dem in Fig. 2b gezeigten Aufbau. In Fig. 9 ist ein Sandwich-Aufbau dargestellt, bei dem sich ein koplanarer Wellenleiter (mit Innenleiter LM und Außenleiter LA, LA ) zwischen zwei Substraten S und S^l befindet, auf deren Rückseiten jeweils ein

Array mit Ringen ausgebildet ist. Dieser Aufbau könnte eine sehr konzentrierte und effiziente Mikrowellenerzeugung bewirken, die entweder auf einen einzelnen Hotspot fokussiert oder aber auch auf mehrere verteilte Hotspots, die eine großflächigere Gewebebehandlung ermöglichen.

Die Fig. 10a-c veranschaulichen eine Ausführungsform, bei dem der Mikrowellen-Applikators 100 ^x bzw. das flexible Substrat zumindest abschnittsweise zu einem rohrförmigen Gebilde RL geformt wird, welches wir hier auch als „aufgerolltes Substrat" bezeichnen. Dazu werden die längsseitigen Bereiche des Substrats S bzw. des Wellenleiters CPW zumindest abschnittweise umgebogen und gerollt und dann zueinander geführt, so dass sich das gewünschte rohförmige Gebilde RL ergibt, welches vorzugweise dann in einen Tubus T eingeführt wird. Dieses Prinzip wird auch in den Fig. lla-c veranschaulicht .

Die Fig. 10a zeigt in einer Draufsicht den koplanaren Wellenleiter CPW von seiner Oberseite, d.h. der Seite, auf der sich das Substrat S befindet. Die Fig. 10b zeigt die Rückseite, auf welcher die Leiterbahnen LA, LA^X und LM des Wellenleiters CPW aufgebracht sind. Die äußeren Leiterbahnen LA und LA sind in einem Abstand D von 0,1-0,5 mm zu der mittleren Leiterbahn LM angeordnet. Dieser Bereich mit dem Abstand D ist frei, so dass dort das Substrat S sich zeigt, oder kann ggf. auch mit einem Dielektrikum beaufschlagt werden. Auf der Oberseite (s. Fig. 10a) sind auf dem Substrat S zwei geschlitzte Ring-Resonatoren Rl und Rl ^λ paarweise angeordnet, so dass jeder Ring sich auf einer der Position befindet, wo er den Abstands D zwischen innerer/mittlerer Leiterbahn LM und äußerer Leiterbahn LA, LA^X überbrückt (s. auch Fig. 10b) . Der koplanare Wellenleiter CPW kann beispielsweise eine Länge L von etwa 2-6 cm und eine Breite B von etwa 0,2-1,2 cm aufweisen.

Anhand der Fig. 10c wird veranschaulicht, wie der Applikator 100¹ bzw. das Substrat S zu einem rohrförmigen Gebilde RL aufgerollt wird und dann in einen Tubus T eingeführt wird, der minimal-invasiv an den Ort des zu behandelnden Gewebes geführt werden kann. Zur Bildung des aufgerollten Substrats (s. auch Fig. lla-c) wird das Substrat bzw. der Wellenleiter an seinen Längsseiten aufgerollt, so dass sich die paarweise vorhandenen

Resonatoren dann diametral gegenüberliegend an dem vorderen Bereich des Tubus T befinden und somit ein räumlich fokussiertes bzw. konzentriertes Feld erzeugen können, dass für den effizienten und Umgebungs-schonenden Einsatz bestens geeignet ist. Im Unterschied zu den Fig. lOa-c zeigen die Fig. lla-c ein Beispiel, bei dem ein Tubus-förmiger Applikator gebildet wird, der zwei Paare von geschlitzten Ring- Resonatoren aufweist. Der Tubus T selbst kann beispielsweise einen äußeren

Durchmesser von weniger als 3 mm haben und eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm und er besteht aus einem für medizinische Anwendungen geeigneten Material, wie z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen) , PP (Polypropylen) oder PU (Polyurethan) . Alternativ kann auch vorgesehen werden, die

Resonatoren von außen auf einen Tubus-förmigen bzw. Nadeiförmigen Trägerkörper aufzubringen und diesen ggf. zu beschichten. Hierzu sind noch Untersuchungen und Experimente anzustellen . Die Figuren 12a und 12b zeigen ein Ausführungsbeispiel mittels einer Mikrostreifenleitung MSL, die auch als planarer Wellenleiter PW angesehen werden kann. Die Mikrostreifenleitung MSL besteht im Wesentlichen aus einem leitfähigem Basis-Layer, der als Ground-Layer GND ausgebildet ist, aus einem Substrat S und einem darauf befindlichen Mikrostreifen MS. Die Ausbreitung der erzeugten Mikrowelle soll in Längsrichtung X erfolgen. Dazu sind, wie in Fig. 12b gezeigt,

Resonatoren RSP1 und RSP2, durch Ätzen in den Ground-Layer GND eingeätzt, so dass sich komplementär Resonatoren ausbilden. Die Resonatoren haben hier z.B. die Form von Spiral-Resonatoren RSP1 und RSP2 und können verschieden groß sein. Grundsätzlich können andere ringförmige Resonatoren, wie Split-Ring

Resonatoren, verwendet werden. Die beiden Spiral-Resonatoren sind als komplementäre Gebilde in den Ground-Layer GND plan zur Fläche eingeätzt worden sind. Die Fig. 13a und 13b veranschaulichen die Positionierung sowie den Aufbau bzw. die Struktur eines solchen Spiral-Resonators RSP1. Der Resonator besteht im Wesentlichen aus einem äußeren, nicht geschlossenen, Ring/Oval mit Schlitz und einem darin konzentrisch angeordneten inneren, nicht geschlossenen, Ring/Oval, wobei beide Ringe/Ovale über einen

Steg/Verbindungsabschnitt miteinander zu einer Spirale verbunden sind (s. Fig. 13b) . Es ist zu beachten, dass im vorliegenden Beispiel (s. Fig. 13a und Fig. 12b) der jeweilige Spiral-Resonator RSP1 oder RSP2 als komplementäres Gebilde in dem Ground-Layer GND durch Ätzen geschaffen worden sind. D.h. jeder Ring entspricht einem ringförmigen (hier genauer gesagt spiralförmigen) Hohlraum innerhalb des leitenden Materials des Ground-Layers GND. Es hat sich gezeigt, dass solche komplementäre Gebilde zwar auch im Material des Mikrostreifens MS geätzt werden könnten, dass aber diese komplementären Ringe besser im Ground-Layer GND realisiert werden, um einen möglichst wirksamen Effekt zu erreichen, insbesondere die Ausbreitung von Mikrowellen in Richtung der Applikator-Spitze

(X-Richtung) . Die anhand der Figuren 1, 2a/, 7a-d, 9, lOa-c, lla-c, 12a/b und 13a/b dargestellten ringförmigen Resonatoren und Arrays sind nur einige der möglichen Ausführungsformen und können nahezu beliebig im Sinne der vorliegenden Erfindung abgewandelt und/oder miteinander kombiniert werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Dual-Mode Mikrowellen- Applikator vorgestellt, der für die Diagnose und Behandlung von erkranktem Gewebe im Rahmen eines minimal-invasiven Eingriffs bestens geeignet ist. Der Applikator enthält vorzugsweise ein Freguenz-Multiplex-Array aus mehreren paarweise angeordneten Resonatoren, die beispielsweise als ovale Split-Ring-Resonatoren ausgebildet sind. Der Applikator kann im Diagnose-Modus als Sensor arbeiten, der die relativen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe mit einer geringen

Eingangs-Leistung von z.B. nur 1 mW erfassen kann, um die Position von Abnormitäten im Gewebe zu erkennen, wobei dazu die Resonanz-Frequenzen einzeln von jedem Resonator-Paar erfasst werden. Wenn die Abnormitäten erkannt und lokalisiert worden sind, kann der Applikator in den Behandlungs-Modus wechseln, in dem dann die Leistung deutlich, auf z.B. 20 Watt, erhöht wird. Dabei wird die spezifische Resonanz-Frequenz desjenigen Resonators eingestellt, der sich nahe der erkannten Abnormität befindet, um dort eine thermische Ablation zur Zerstörung des erkrankten Gewebes auszuführen. Der Dual-Mode

Applikator hat den Vorteil, der nicht-veränderten Positionierung / Ausrichtung des Applikators in beiden Modi, so dass Diagnose und Behandlung in exakter lokaler Übereinstimmung durchgeführt werden können. Außerdem ist der Applikator einfach zu handhaben und es wird deutlich weniger Zeit (wenige Minuten) für die Behandlung des Patienten benötigt. Des Weiteren kann nach der Behandlung das Ergebnis sofort überprüft werden durch eine Diagnose des behandelten Gewebes. Gegebenenfalls kann eine erneute Behandlung sofort durchgeführt werden. Die Belastung des Patienten ist sehr gering. Damit hat das erfindungsgemäße Verfahren viele Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren, wie MWA oder RFA.

Der Applikator kann so gestaltet sein, dass er zumindest abschnittsweise zu einem rohrförmigen Gebilde, insbesondere einem Tubus-förmigen Gebilde, geformt werden kann.

Die hier vorgestellten Applikatoren sind bio-verträglich wie auch MRT-kompatibel und können auch austauschbar in dem hier offenbarten System angeschlossen werden, z.B. über SMA- Verbinder. Die Dimensionierung kann zu sehr kleinen Baugrößen von z.B. 2x2x20 mm führen. Obwohl der Applikator sehr klein sein kann, können durchaus größere Ablationszonen von z.B. 3cm³ behandelt werden.

BEZUGS ZEICHENLISTE

100, 100 ^y Applikator, ggf. Tubus-förmig

110 Array mit geschlitzten Ring-Resonatoren

120 Spitze / Kopfende des Applikators aus

Aluminiumoxid-Keramik

Rl - R3 ^x geschlitzte Ring-Resonatoren verschiedener Größen, paarweise angeordnet

R01- R03 Ring-Resonatoren (einfach oder doppelt) mit ovaler

Form

R04 Ring-Resonator mit rechteckiger Form

RSP1, RSP2 Spiral-Resonatoren, hier als komplementäre

Resonatoren ausgebildeta, b Längen- bzw.

Breitenausdehnung des Resonators

PW planarer Wellenleiter, insbes . dargestellt als:

CPW koplanarer Wellenleiter

MSL Mikrostreifenleitung mit:

GND Basis-Layer/Ground-Layer, S Substrat und MS Mikrostreifen

S Substrat, insbesondere flexibles Substrat

RF aufgerolltes Substrat für Tubus T, z.B. aus PTFE

LA, LM Leiterbahnen (Microstrips) außen bzw. innen

D Abstand zwischen den Leiterbahnen, ggf. gefüllt mit einem Dielektrikum

PA, PM Kontaktierungspunkte bzw. -flächen oder -Pads K Koaxialkabel

200 System zum Betreiben des Applikators

DMOD Diagnose-Modus

TMOD Behandlungs- bzw. Therapie-Modus

210 Hochfrequenz-Oszillator

220 Verstärker

230 Modus-Schalter Testumgebung mit: 21 Hochfrequenz-Oszillator;

22 Verstärker; 24 Koppler; Leistungs-Messgerät ;

26 Zirkulator; 28 Applikator für Test-Gewebe TUT;

27 Lastimpedanz

Claims

Patentansprüche

1. Mikrowellen-Applikator (100; 100^λ) zur Behandlung von biologischem Gewebe (TT) , wobei der Applikator mindestens einen ringförmigen Resonator (Rl, Rl ¹ RSP1) aufweist, der als zwei-dimensionales Gebilde in die Struktur eines planaren Wellenleiters (PW) eingebracht ist, der unter Anlegen eines hochfrequenten Signals (U) den mindestens einen ringförmigen Resonator anregt, Mikrowellen (MW) fokussiert in das Gewebe (TT) einzubringen,

dadurch gekennzeichnet, dass

zur minimal-invasiven Behandlung des biologischen Gewebes (TT) der mindestens eine ringförmige Resonator (Rl, Rl

RSPl) zwei verschieden große Ausdehnungen (a, b) aufweist, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen (x, y) erstrecken.

2. Mikrowellen-Applikator (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der ersten Ausdehnung (a) zumindest das 1,2-fache der Größe der zweiten Ausdehnung (b) beträgt.

3. Mikrowellen-Applikator (100) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ringförmige Resonator als geschlitzter Ring-Resonator (Rl...) oder als Spiral-Resonator (RSPl) ausgebildet ist als ein zwei-dimensionales Gebilde mit einer ovalen oder elliptischen Form (R01, R02, R03) ist oder mit einer rechteckigen Form (R04) ist, die an den Ecken abgerundet ist .

4. Mikrowellen-Applikator (100) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der planare Wellenleiter (PW) als ein koplanarer Wellenleiter (CPW) ausgebildet ist, dessen Struktur ein Substrat (S), insbesondere ein flexibles Substrat, aufweist, auf dem der mindestens eine ringförmige

Resonator als (Rl, Rl * RSP1) aufgebracht ist.

Mikrowellen-Applikator (100) nach einem der Ansprüche 1- 3, dadurch gekennzeichnet, dass der planare Wellenleiter (PW) als eine Mikrostreifen-Leitung (MSL) ausgebildet ist, deren Struktur einen Ground-Layer (GND) aufweist, in den der mindestens eine ringförmige Resonator,

eingebracht ist, insbesondere als komplementärer geschlitzter Ring-Resonator oder Spiral-Resonator (RSP1) eingeätzt ist.

Mikrowellen-Applikator (100) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikator (100) beschaffen ist, in einem Diagnose- Modus (DMOD) und in einem Behandlungs-Modus (TMOD) betrieben zu werden.

Mikrowellen-Applikator (100) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikator (100) im Diagnose-Modus (DMOD) mit einer ersten Leistung (PI) betrieben wird und im Behandlungs- Modus (TMOD) mit einer zweiten Leistung (P2) betrieben, die mindestens das 10-fache der ersten Leistung (PI) beträgt .

Mikrowellen-Applikator (100 ) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikator (100^Λ) zumindest abschnittsweise zu einem rohrförmigen Gebilde (RL) , insbesondere als oder für einen Tubus (T) , geformt ist, indem die längsseitigen Bereiche des planaren Wellenleiters (PW) , zumindest abschnittweise umgebogen und/oder gerollt und zueinander geführt worden sind.

9. Mikrowellen-Applikator (100 ) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikator (100 ) oder zumindest das abschnittsweise geformte rohrförmige Gebilde (RL) , insbesondere der Tubus (T) , eine Lange von mindestens 2cm aufweist und einen Durchmesser von höchstens 3 cm aufweist.

10. Mikrowellen-Applikator (100) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikator ein, insbesondere aus einem Metamaterial- inspirierten Material gebildetes, Array (110) mit mindestens zwei ringförmigen Resonatoren (Rl, ... R3 ^λ ) aufweist, insbesondere mit paarweise angeordneten ringförmigen Resonatoren (Rl, Rl^x, ... R3, R3^A) aufweist.

11. Mikrowellen-Applikator (100) nach einem der

vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ringförmige Resonator (Rl, Rl ' ...) , insbesondere das Array (110) auf der Rückseite des

Substrats (S) des planaren Wellenleiters (PW) aufgebracht ist. das Array (110) verschieden große ringförmige

Resonatoren (Rl, R2, R3) aufweist, die insbesondere in Einführrichtung (x) des Applikators (110) hintereinander angeordnet sind.

12. System (200) zur Behandlung von biologischem Gewebe (TT), mit einem Hochfrequenz-Oszillator (210) , einem Verstärker

(220) , einem Modus-Umschalter (230) und einem daran anschließbaren Mikrowellen-Applikator (100) , wobei der Applikator mindestens einen ringförmigen Resonator

(R1,R1^A ... ; RSP1) aufweist, der als zwei-dimensionales Gebilde in die Struktur eines planaren Wellenleiters (PW) eingebracht ist, der unter Anlegen eines

hochfrequenten Signals (U) den mindestens einen

ringförmigen Resonator anregt, um Mikrowellen (MW) fokussiert in das Gewebe (TT) einzubringen,

dadurch gekennzeichnet:, dass

zur minimal-invasiven Behandlung des biologischen Gewebes (TT) der mindestens eine ringförmige Resonator ( l, Rl ^λ ... 'RSP1) zwei verschieden große Ausdehnungen (a, b) aufweist, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen (x, y) erstrecken.

System (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System beschaffen ist, mit mindestens zwei austauschbaren Applikatoren konfiguriert zu werden.

Verfahren zur minimal-invasiven Behandlung von

biologischem Gewebe (TT) , wobei mit Hilfe eines

Mikrowellen-Applikators (100) Mikrowellen (MW) fokussiert in das Gewebe (TT) eingebracht werden,

dadurch gekennzeichnet, dass

zur minimal-invasiven Behandlung des biologischen Gewebes (TT) ein Applikator (100) verwendet wird, der mindestens einen ringförmigen Resonator (Rl, Rl ... 'RSP1) mit zwei verschieden große Ausdehnungen (a, b) aufweist, die sich in zwei im Wesentlichen orthogonalen Richtungen (x, y) erstrecken .

Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikator (100) in einem Diagnose-Modus (DMOD) mit einer ersten Leistung (PI) betrieben wird und im

Behandlungs-Modus (TMOD) mit einer zweiten Leistung (P2) betrieben, die mindestens das 10-fache der ersten

Leistung (PI) beträgt. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch

gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer MRT-Umgebung, insbesondere unter Einsatz von Thermografie, durchgeführt wird .