AT399280B - Vorrichtung zur wärmebehandlung von tumoren - Google Patents

Description

AT 399 280 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur extrakorporalen Behandlung von oberflächennahen Tumoren im menschlichen oder tierischen Körper, mit einem Generator und einer mit diesem verbundenen Sendeantenne zur Erzeugung und Abstrahlung von im Körper in Wärme umzuwandelnder elektromagnetischer Hochfrequenzenergie, wobei die Sendeantenne einen von einer Rahmenantenne bzw. einfachen Stromschleife gebildeten magnetischen Dipol aufweist, und wobei im Betrieb der Vorrichtung der magnetische Dipoi im wesentlichen parallel zur zu bestrahlenden Körperoberfläche liegt und das abgestrahlte elektromagnetische Hochfrequenzfeld des Dipols in einem in etwa dem Abstand der zu bestrahlenden Körperoberfläche entsprechenden Abstand zumindest hauptsächlich magnetische Feldkomponenten hat. Für die Abstrahlung von Hochfrequenzenergie zur Bestrahlung und Wärmebehandlung von oberflächennahen Tumoren (Hyperthermie) werden bei bekannten Vorrichtungen der genannten Art Dipolstrahler in vielfältiger Ausführung und Anordnung verwendet. Obwohl derartige Sendeantennen leicht herstellbar sowie relativ problemlos anspeis- und abstimmbar sind und auch einen guten Wirkungsgrad aufweisen, bedingen sie doch einige Probleme, die in nachteiliger Weise die Anwendung für den genannten Zweck beeinträchtigen.

So ist etwa bei elektrischen Dipolstrahiern die Eindringtiefe des Hochfrequenzfeldes in den zu bestrahlenden Körper nur gering, was dazu führt, daß zumeist ein Kontaktwärmetauscher (Bolus) zwischen Antenne und zu bestrahlender Körperoberfläche angeordnet werden muß, um oberflächliche Überhitzungen zu vermeiden bzw. das Temperaturmaximum in tiefere Körperschichten zu verschieben. Das bedeutet, daß ein nicht unwesentlicher Anteil der abgestrahlten Sendeleistung weggekühlt werden muß, was neben den zusätzlichen Problemen mit dem Kontaktwärmetauscher naturgemäß den Wirkungsgrad der Vorrichtung negativ beeinflußt. Weiters von Nachteil ist dabei auch der Umstand, daß ein elektrischer Dipol für einen möglichst hohen Wirkungsgrad eine bestimmte, von der verwendeten Frequenz unmittelbar abhängige Länge haben muß, woraus sich beispielsweise für eine in der Hyperthermie gängige Frequenz von 433,92 MHz eine optimale Dipollänge von ca. 69 cm ergibt, was für übliche Anwendungen unbrauchbar ist und entweder eine wiederum energieschluckende Abblendung oder aber den Betrieb einer kleineren Sendeantenne mit schlechtem Wirkungsgrad erfordert.

Weiters sind, beispielsweise aus der US-PS 4 365 622, US-PS 4 374 516, US-PS 4 665 898 oder der DD-PS 221 373, Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, deren abgestrahites elektromagnetisches Hochfrequenzfeld in einem in etwa dem Abstand der zu bestrahlenden Körperoberfläche entsprechenden Abstand zumindest hauptsächlich magnetische Feldkomponenten hat, womit eine größere Eindringtiefe des Hochfrequenzfeldes bei gleichzeitig kleinen seitlichen Ausdehnungen des Feldes ermöglicht wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung erhöht und die Wärmebelastung von gesundem Körpergewebe herabgesetzt werden kann.

Die eingangs angesprochene geringe Eindringtiefe eines über einen elektrischen Dipol abgestrahlten Hochfrequenzfeldes ist nämlich darauf zurückzuführen, daß der elektrische Dipol im Nahbereich überwiegend nur elektrische Feldkomponenten erzeugt. Das elektrische Feld kann aber an der Grenzfläche des zu bestrahlenden Körpers nur dann eine Normalkomponente besitzen - und damit in den Körper eindringen -wenn dessen Leitfähigkeit gering ist, was aber für den menschlichen oder tierischen Körper nicht zutrifft. Daraus resultieren die erwähnten geringen Eindringtiefen, die zufolge der Verschiebungsströme eine Oberflächenerhitzung hervorrufen, die im wesentlichen nur durch Wärmeleitung zu einer Erwärmung von tieferen Körperschichten führen kann.

Demgegenüber hat der magnetische Dipol im Nahfeld hauptsächlich nur magnetische Feldkomponenten (mit Abhängigkeit 1/r3); die Normalkomponenten des magnetischen Feldes werden beim Durchgang durch die weitgehend leitfähige Oberfläche des zu bestrahlenden Körpers im wesentlichen nicht beeinflußt, wodurch sich eine wesentlich höhere Eindringtiefe ergibt, ohne daß es im Oberflächenbereich zu wesentlichen Verschiebungsströmen und damit zu einer Überhitzung kommen würde.

Weiters ergibt sich aus der Verwendung des magnetischen Dipols der unmittelbare Vorteil einer wesentlich kleineren Sendeantenne (wobei hier ein optimal abgestimmter magnetischer Dipol mit einem entsprechend abgestimmten elektrischen Dipol bei gleicher Wellenlänge verglichen wird), da sich bei einem mit der Generatorfrequenz in Resonanz befindlichen magnetischen Dipol ein Dipolumfang (für die im folgenden angesprochene einfache Stromschleife) im Bereich von etwa 7 bis 20 cm ergibt. Damit sind auch kleine Tumore optimal und ohne zusätzliche Ausblendung behandelbar.

Als weiterer Vorteil der Einwirkung hauptsächlich magnetischer Feldkomponenten auf den zu bestrahlenden Körper ist zu erwähnen, daß damit die beim elektrischen Dipol mit dessen hauptsächlich elektrischen Feldkomponenten gegebenen starken Beeinflussungen von Thermoelementen im Bestrahlungsbereich wegfallen, sodaß die Temperaturverteilung nun auch unmittelbar während der Bestrahlung mit derartigen Thermoelementen ständig kontrolliert werden kann. 2 ΑΤ 399 280 Β

Nachteilig bei allen bekannten Vorrichtungen der beschriebenen Art ist insbesondere der Umstand, daß aufgrund von Oberflächeneffekten (sogenannte Skin-Effekte) bei höheren Frequenzen des über den magnetischen Dipol erzeugten Magnetfeldes eine stark unregelmäßige Wirbelstromverteilung im behandelten Gewebe entsteht, wobei ein ringförmiges Gebiet mit leicht größerem Durchmesser als der magnetische Dipol stark bevorzugt wird. Diese ungleichförmige Energieverteilung führt dazu, daß entweder zur Schonung von gesundem Gewebe an den für die Bestrahlung vorgesehenen Ort nicht ausreichend Energie gebracht werden kann, oder aber bewußt auch die Schädigung von gesundem Gewebe in Kauf genommen werden muß.

Ausgehend von einer ähnlichen Problematik - nämlich vom Nachteil, daß die das Magnetfeld erzeugenden Spulensysteme an quasi senkrecht zur Spulenebene verlaufenden Gewebegrenzschichten starke Energiedichte-Maxima erzeugen, wodurch besonders bei Gliedmaßen der Energietransport ins Körperinnere begrenzt wird - ist beispielsweise in der oben genannten DD-221 272 A1 eine Anordnung beschrieben, bei der mindestens zwei derartige Dipole vorgesehen sind, welche vom Strom in entgegengesetzter Richtung erregt werden, wodurch sich eine gewisse Feldformung im zu behandelnden Körper erzielen läßt. Dies ist jedoch mit relativ hohem zusätzlichen Aufwand verbunden und erfordert bei der Anordnung und Ausbildung der zusammenwirkenden Dipole sorgfältigste Abstimmung auf den jeweiligen Anwendungsfall.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die genannten Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden und daß insbesondere auf möglichst einfache Weise unerwünschte ungleichförmige Energieverteilungen im bestrahlten Gewebe vermieden werden.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß der magnetische Dipol von einer Trägereinrichtung getragen ist, welche mit einer Drehanordnung verbunden ist, deren Drehachse senkrecht zur Ebene des magnetischen Dipols und im Abstand zu dessen Zentrum verläuft, und mit welcher der magnetische Dipol während der Bestrahlung exzentrisch drehbar ist. Damit können entweder durch die Form des Dipols oder aber durch Skineffekte oder dergleichen bedingte Inhomogenitäten des Temperaturfeldes leicht ausgeglichen und darüber hinaus bedarfsweise größere Körperbereiche mit einer kleinen Antenne bestrahlt werden.

Ein sehr stabiler und damit leicht handhabbarer magnetischer Dipol läßt sich beispielsweise aus einem im wesentlichen kreisrund zusammengebogenen Rohr aus leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, herstellen. Zur Beeinflussung der Leitfähigkeit sind auch verschiedene Oberflächenbeschichtungen, z.B. mit Silber, möglich.

Der magnetische Dipol hat bei der Bestrahlung üblicherweise einen Abstand im Bereich vom 0,5- bis zum 2-fachen des Dipoldurchmessers von der zu bestrahlenden Körperoberfläche, was einerseits sicherstellt, daß die im extremen Nahfeld herrschenden Inhomogenitäten des Feldes mit der Gefahr von lokalen Überhitzungen der bestrahlten Körperoberfläche vermieden werden und andererseits eine gute Ausnutzung der abgestrahlten Hochfrequenzenergie ermöglicht.

Der Dipoiumfang liegt beispielsweise im Bereich von 10 bis 30 % der Wellenlänge der verwendeten elektrischen Hochfrequenz, was einen Betrieb des Dipols mit hohem Wirkungsgrad bei gleichzeitig kleinen Abmessungen sicherstellt.

Zur Anspeisung des drehbaren magnetischen Dipols kann in einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Koppelschleife in der Nähe des Dipols angeordnet und mit dem Generator verbunden sein, was eine berührungslose induktive Anspeisung mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht.

Der magnetische Dipol kann beispielsweise auch rund um den Austrittstubus eines separaten Bestrahlungsgerätes, vorzugsweise eines Betatrons, angeordnet sein. Damit ergibt sich die Möglichkeit, gleichzeitig mit der Wärmebehandlung des Tumors diesen auch mit ionisierenden Strahlen zu behandeln, was sich insbesondere in letzter Zeit als für die Wirkung der Behandlung sehr günstig herausgestellt hat.

Der magnetische Dipol kann weiters auch aus mehreren, bezüglich der zu bestrahlenden Körperoberfläche nebeneinander angeordneten Antennenelementen bestehen, was beispielsweise die Berücksichtigung komplizierterer Geometrien des zu bestrahlenden Tumorgewebes ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei: Fig. 1 das Nahfeld der elektrischen Feldkomponenten eines elektrischen Dipols, Fig. 2 das entsprechende Nahfeld der magnetischen Feldkomponenten eines magnetischen Dipols, Fig. 3 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stande der Technik, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Drehanordnung für den magnetischen Dipol, und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die Anspeisung des magnetischen Dipols einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Sendeantenne 1 als elektrischer Dipol 2 ausgebildet und über Anschlüsse 3, 4 auf hier nicht dargestellte Weise mit einem Generator zur Erzeugung und Abstrahlung von in einem 3

Claims (2)

1. AT 399 280 B leitfähigen Körper 5 in Wärme umgewandelter Hochfrequenzenergie verbunden. Der elektrische Dipol 2 erzeugt in seiner unmittelbaren Nähe bzw. im dargestellten Nahbereich überwiegend ein elektrisches Feld, welches mittels der Feldlinien 6 angedeutet ist. Die magnetischen Feldkomponenten sind im dargestellten Nahbereich um ca. zwei Größenordnungen kleiner als die elektrischen, sodaß sie hier nicht weiter von Bedeutung sind. Zufolge der dargestellten geringen Eindringtiefe der Feldlinien 6 in den leitenden Körper 5 kommt es zu einer Oberflächenüberhitzung infolge der entstehenden Verschiebungsströme, sodaß zumeist ein hier nicht dargesteilter Kontaktwärmetauscher (Bolus) auf die Oberfläche des Körpers 5 gelegt werden muß, um diese zu kühlen bzw. das Temperaturmaximum in tiefere Schichten des Körper 5 zu verlegen. Gemäß Fig. 2 ist als Sendeantenne 1 ein magnetischer Dipol 7 vorgesehen, der hier wie auch in den folgenden Abbildungen als einfache Stromschleife 8 ausgeführt ist und im dargestellten Nahbereich hauptsächlich magnetische Feldkomponenten mit Abhängigkeit 1/r3 besitzt - die zugehörigen Feldlinien sind mit 9 bezeichnet. Die Normalkomponenten des magnetischen Feldes werden beim Durchgang durch die Oberfläche des leitfähigen Körpers 5 praktisch nicht beeinflußt, womit sich eine wesentlich höhere Eindringtiefe des Feldes ergibt. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung weist einen Generator 10 und eine mit diesem über eine Leitung 11 in Verbindung stehende Sendeantenne 1 zur Erzeugung und Abstrahlung von im Körper - dessen Oberfläche 12 hier symbolisch als Ebene dargestellt ist - in Wärme umgewandelter Hochfrequenzenergie auf. Die Sendeantenne 1 ist hier von der bereits zu Fig. 2 erwähnten einfachen Stromschleife 8 gebildet, wobei diese im wesentlichen aus einem ringförmig gebogenen Rohr 13 aus elektrisch leitfähigem Material besteht, das an einer Stelle 14 auf nicht näher dargestellte Weise angespeist ist und gegenüber an zwei offenen Enden 15, 16 einen Plattenkondensator 17 aufweist. Der von der Stromschleife 8 gebildete magnetische Dipol 7 liegt in einer im wesentlichen parallel zur zu bestrahlenden Oberfläche 12 ausgerichteten Ebene und hat bei der Bestrahlung einen Abstand 18 zu dieser Ebene 12, der etwa im Bereich vom 0,5-bis zum 2-fachen des Durchmessers 19 der Stromschleife 8 liegt. Der Umfang der Stromschleife 8 bzw. des Dipols 7 liegt im Bereich von 10 bis 30 % der Wellenlänge der verwendeten Hochfrequenz. Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 ist eine Trägereinrichtung 35 aus nichtleitendem Material für den magnetischen Dipol 7 vorgesehen, die mit einer Drehanordnung 36 verbunden ist. Die Drehanordnung 36 besteht aus einer Achse 37 und einem Motor 38 und erlaubt eine exzentrische Drehung des magnetischen Dipols 7 während der Bestrahlung, womit das Temperaturfeld im bestrahlten Körper homogenisiert werden kann. Zur berührungslosen Anspeisung ist hier (wie in Fig. 5) eine Koppelschleife 20 vorgesehen, die über Leitungen 39 mit dem hier nicht dargesteliten Generator verbunden ist. Gemäß Fig. 5 ist zur induktiven Anspeisung des magnetischen Dipols 7 wiederum eine Koppelschleife 20 gegenüber dem Plattenkondensator 17 in der Nähe der Stromschleife 8 angeordnet und über Anschlüsse 21, 22 mit dem hier nicht dargestellten Generator verbunden. Damit erfolgt die Zuführung der Hochfrequenzenergie berührungslos. Durch Variation der Größe und Anordnung der Koppelschleife 20 kann die Anspeisung optimiert werden. Bei Versuchen, die mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung gemacht wurden, wurde mit einem Durchmesser der Stromschleife 8 zwischen 30 und 50 mm bei einer Frequenz von 433,92 MHz gearbeitet, wobei der HF-Generator eine maximale Ausgangsleistung von 100 Watt aufwies. Bei einer Eindringtiefe des magnetischen Feldes in ein körperähnliches Phantom von bis zu 2 cm konnte ohne jeden Bolus zwischen dem magnetischen Dipol und dem Körper gearbeitet werden. Bei der genannten Frequenz ist eine sinnvolle Wärmebehandlung von oberflächennahen Tumoren bereits mit 60 Watt Ausgangsleistung des HF-Genera-tors möglich. Der verwendbare Frequenzbereich geht von ca. 50 bis ca. 900 MHz. Abgesehen von der dargestellten ringförmigen Ausbildung des magnetischen Dipols 7 könnte dieser aber auch in Form einer Rahmenantenne an sich beliebige Form aufweisen - auch die Querschnittsgestaltung des Dipols 7 bzw. der Stromschleife 8 ist im Rahmen der Erfindung in weiten Grenzen beliebig. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur extrakorporalen Behandlung von oberflächennahen Tumoren im menschlichen oder tierischen Körper, mit einem Generator und einer mit diesem verbundenen Sendeantenne zur Erzeugung und Abstrahlung von im Körper in Wärme umzuwandelnder elektromagnetischer Hochfrequenzenergie, wobei die Sendeantenne einen von einer Rahmenantenne bzw. einfachen Stromschleife gebildeten magnetischen Dipol aufweist, und wobei im Betrieb der Vorrichtung der magnetische Dipol im wesentlichen parallel zur zu bestrahlenden Körperoberfläche liegt und das abgestrahlte elektromagnetische Hochfrequenzfeld des Dipols in einem in etwa dem Abstand der zu bestrahlenden Körperoberfläche entsprechenden Abstand zumindest hauptsächlich magnetische Feldkomponenten hat, dadurch gekennzeichnet,daß der magnetische Dipol (7) von einer Trägereinrichtung (35) getragen ist, welche 4 AT 399 280 B mit einer Drehanordnung (36) verbunden ist, deren Drehachse senkrecht zur Ebene des magnetischen Dipols (7) und im Abstand zu dessen Zentrum verläuft, und mit welcher der magnetische Dipol (7) während der Bestrahlung exzentrisch drehbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur berührungslosen induktiven Anspei sung des drehbaren magnetischen Dipols (7) eine Koppelschleife (20) in dessen Nähe angeordnet und mit dem Generator (10) verbunden ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen io 15 20 25 30 35 40 45 50 5 55