AT399280B

AT399280B - DEVICE FOR HEAT TREATING TUMORS

Info

Publication number: AT399280B
Application number: AT110090A
Authority: AT
Inventors: Leonore Dr Handl-Zeller; Gerhard Dipl Ing Burian
Original assignee: Othmar Handl Gesmbh
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1995-04-25
Also published as: ATA110090A

Abstract

For the extracorporeal hyperthermia treatment of tumours close to the surface, a magnetic dipole 7 is provided as a transmitting antenna and is connected to an HF generator. The dipole 7 is carried by a carrier device 35, which is connected to a rotating arrangement 36, whose axis of rotation runs vertical to the plane of the dipole 7, which is constructed as a frame antenna, and at a distance to its centre, and by which the magnetic dipole 7 is eccentrically rotatable during the radiation, whereby the temperature field in the irradiated body is homogenized. <IMAGE>

Description

AT 399 280 BAT 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.The invention relates to a device for the extracorporeal treatment of near-surface tumors in the human or animal body, with a generator and a transmitter antenna connected thereto for generating and radiating electromagnetic high-frequency energy to be converted into heat in the body, the transmitter antenna being a loop antenna or a simple current loop formed magnetic dipole, and wherein in operation of the device, the magnetic dipole is substantially parallel to the body surface to be irradiated and the emitted high-frequency electromagnetic field of the dipole has at least mainly magnetic field components at a distance approximately corresponding to the distance from the body surface to be irradiated. For known devices of the type mentioned, dipole emitters are used in a wide variety of designs and arrangements for the radiation of high-frequency energy for the irradiation and heat treatment of near-surface tumors (hyperthermia). Although such transmission antennas are easy to manufacture and can be supplied and tuned relatively easily and also have a high degree of efficiency, they nevertheless involve some problems which adversely affect their use for the stated purpose.

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.For example, in the case of electric dipole emitters, the depth of penetration of the high-frequency field into the body to be irradiated is only slight, which means that a contact heat exchanger (bolus) usually has to be arranged between the antenna and the body surface to be irradiated, in order to avoid superficial overheating or to lower the temperature maximum To shift body layers. This means that a not insignificant portion of the emitted transmission power has to be cooled away, which, in addition to the additional problems with the contact heat exchanger, naturally has a negative effect on the efficiency of the device. Another disadvantage is the fact that an electrical dipole for maximum efficiency must have a certain length that is directly dependent on the frequency used, resulting in an optimal dipole length of, for example, a frequency of 433.92 MHz common in hyperthermia approx. 69 cm results in what is unusable for normal applications and which either requires energy-absorbing dimming or the operation of a smaller transmitting antenna with poor efficiency.

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.Furthermore, devices from the aforementioned type are known, for example from US Pat. No. 4,365,622, US Pat. No. 4,374,516, US Pat. No. 4,665,898 or DD Pat. No. 221,373, whose abraded electromagnetic high-frequency field is approximately in a Distance of the body surface to be irradiated has at least mainly magnetic field components, which enables a greater depth of penetration of the high-frequency field with simultaneously small lateral expansions of the field, which increases the overall efficiency of the arrangement and reduces the thermal load on healthy body tissue.

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.The low penetration depth of a high-frequency field emitted via an electrical dipole mentioned above is due to the fact that the electrical dipole produces predominantly only electrical field components in the close range. However, the electric field at the interface of the body to be irradiated can only have a normal component - and thus penetrate into the body - if its conductivity is low, but this is not the case for the human or animal body. This results in the aforementioned shallow depths of penetration, which, due to the displacement currents, cause surface heating, which can essentially only lead to heating of deeper body layers through thermal conduction.

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.In contrast, the magnetic dipole in the near field mainly has only magnetic field components (with dependency 1 / r3); the normal components of the magnetic field are essentially unaffected when passing through the largely conductive surface of the body to be irradiated, which results in a much greater depth of penetration without causing significant displacement currents in the surface area and thus overheating.

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.Furthermore, the use of the magnetic dipole gives the immediate advantage of a significantly smaller transmitting antenna (whereby an optimally tuned magnetic dipole is compared with a correspondingly tuned electrical dipole at the same wavelength), since there is a magnetic dipole that is in resonance with the generator frequency Dipole range (for the simple current loop mentioned below) in the range of about 7 to 20 cm. This means that even small tumors can be treated optimally and without additional masking.

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 ΒA further advantage of the action of mainly magnetic field components on the body to be irradiated should be mentioned that the strong influences of thermocouples in the irradiation area, which are present in the electric dipole with its mainly electric field components, thus cease to exist, so that the temperature distribution now also continuously during the irradiation with such thermocouples can be controlled. 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.A disadvantage of all known devices of the type described is, in particular, the fact that, due to surface effects (so-called skin effects) at higher frequencies of the magnetic field generated via the magnetic dipole, a strongly irregular eddy current distribution arises in the treated tissue, an annular area with a slightly larger diameter as the magnetic dipole is highly preferred. This non-uniform distribution of energy means that either sufficient energy cannot be brought to the place intended for irradiation to protect healthy tissue, or that damage to healthy tissue must also be consciously accepted.

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.Starting from a similar problem - namely from the disadvantage that the coil systems generating the magnetic field produce strong energy density maxima on quasi-perpendicular to the coil plane, which limits the energy transport into the body especially in limbs - is for example in the above-mentioned DD-221 272 A1 describes an arrangement in which at least two such dipoles are provided, which are excited by the current in the opposite direction, whereby a certain field formation can be achieved in the body to be treated. However, this is associated with relatively high additional effort and requires the most careful adjustment to the respective application when arranging and forming the interacting dipoles.

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.The object of the present invention is to improve a device of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages of the known devices are avoided and in particular that undesired nonuniform energy distributions in the irradiated tissue are avoided in the simplest possible way.

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.This is achieved according to the present invention in that the magnetic dipole is carried by a carrier device which is connected to a rotary arrangement, the axis of rotation of which is perpendicular to the plane of the magnetic dipole and at a distance from the center thereof, and with which the magnetic dipole during the Irradiation can be rotated eccentrically. Inhomogeneities in the temperature field caused by the shape of the dipole or by skin effects or the like can thus be easily compensated for and, if necessary, larger areas of the body can be irradiated with a small antenna.

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.A very stable and thus easy-to-use magnetic dipole can be produced, for example, from an essentially circularly bent tube made of conductive material, for example copper. Various surface coatings are also required to influence the conductivity, e.g. with silver, possible.

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.The magnetic dipole is usually at a distance in the range of 0.5 to 2 times the dipole diameter from the body surface to be irradiated, which on the one hand ensures that the inhomogeneities of the field prevailing in the extreme near field with the risk of local overheating irradiated body surface can be avoided and on the other hand allows a good use of the radiated radio frequency energy.

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.The dipoium trap is, for example, in the range from 10 to 30% of the wavelength of the electrical high frequency used, which ensures operation of the dipole with high efficiency and at the same time small dimensions.

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.To feed the rotatable magnetic dipole, a coupling loop can be arranged in the vicinity of the dipole and connected to the generator in a preferred further embodiment of the invention, which enables contactless inductive feeding with good efficiency.

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.The magnetic dipole can, for example, also be arranged around the outlet tube of a separate radiation device, preferably a betatron. This results in the possibility of treating the tumor at the same time as the heat treatment with ionizing radiation, which has recently been found to be particularly favorable for the effect of the treatment.

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.The magnetic dipole can also consist of a plurality of antenna elements which are arranged next to one another with respect to the body surface to be irradiated, which, for example, enables the consideration of more complicated geometries of the tumor tissue to be irradiated.

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.The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown schematically in the drawing. 1 shows the near field of the electrical field components of an electrical dipole, FIG. 2 shows the corresponding near field of the magnetic field components of a magnetic dipole, FIG. 3 shows the schematic structure of a device according to the prior art, FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the present Invention with a rotary arrangement for the magnetic dipole, and Fig. 5 shows an embodiment for feeding the magnetic dipole of a device according to the present invention.

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 31, a transmitting antenna 1 is designed as an electrical dipole 2 and is connected via connections 3, 4 in a manner not shown here with a generator for generating and emitting in a third

Claims

AT 399 280 B conductive body 5 connected to heat converted radio frequency energy. The electrical dipole 2 in its immediate vicinity or in the illustrated near region predominantly generates an electric field, which is indicated by the field lines 6. The magnetic field components are about two orders of magnitude smaller than the electrical ones in the near range shown, so that they are of no further importance here. As a result of the low penetration depth of the field lines 6 into the conductive body 5, there is surface overheating as a result of the displacement currents which occur, so that a contact heat exchanger (bolus), which is not shown here, usually has to be placed on the surface of the body 5 in order to cool it or that To lay the maximum temperature in deeper layers of the body 5. According to FIG. 2, a magnetic dipole 7 is provided as the transmitting antenna 1, which, as in the following figures, is designed as a simple current loop 8 and mainly has magnetic field components with dependency 1 / r3 in the close range shown - the associated field lines are designated by 9. The normal components of the magnetic field are practically not influenced when passing through the surface of the conductive body 5, which results in a significantly higher depth of penetration of the field. The device shown in FIG. 3 has a generator 10 and a transmission antenna 1 connected to it via a line 11 for generating and radiating high-frequency energy converted into heat in the body - whose surface 12 is shown here symbolically as a plane. The transmission antenna 1 is formed here by the simple current loop 8 already mentioned in relation to FIG. 2, which essentially consists of an annularly bent tube 13 made of electrically conductive material, which is fed at a point 14 in a manner not shown in detail and opposite at two open ends 15, 16 has a plate capacitor 17. The magnetic dipole 7 formed by the current loop 8 lies in a plane oriented essentially parallel to the surface 12 to be irradiated and has a distance 18 from this plane 12 during the irradiation, which is approximately in the range from 0.5 to 2 times the Diameter 19 of the current loop 8 is. The scope of the current loop 8 or the dipole 7 is in the range of 10 to 30% of the wavelength of the high frequency used. 4, a carrier device 35 made of non-conductive material for the magnetic dipole 7 is provided, which is connected to a rotary arrangement 36. The rotating arrangement 36 consists of an axis 37 and a motor 38 and allows an eccentric rotation of the magnetic dipole 7 during the irradiation, with which the temperature field in the irradiated body can be homogenized. For contactless supply, a coupling loop 20 is provided here (as in FIG. 5), which is connected via lines 39 to the generator (not shown here). 5, for the inductive feeding of the magnetic dipole 7, a coupling loop 20 is again arranged opposite the plate capacitor 17 in the vicinity of the current loop 8 and connected to the generator (not shown here) via connections 21, 22. The high-frequency energy is thus supplied without contact. The feed can be optimized by varying the size and arrangement of the coupling loop 20. In tests which were carried out with a device according to the invention, the diameter of the current loop 8 was between 30 and 50 mm at a frequency of 433.92 MHz, the HF generator having a maximum output power of 100 watts. With a penetration depth of the magnetic field in a body-like phantom of up to 2 cm, it was possible to work without any bolus between the magnetic dipole and the body. At the frequency mentioned, sensible heat treatment of near-surface tumors is already possible with an output power of the HF generator of 60 watts. The usable frequency range goes from approx. 50 to approx. 900 MHz. Apart from the illustrated annular configuration of the magnetic dipole 7, this could also have any shape in the form of a loop antenna - the cross-sectional configuration of the dipole 7 or the current loop 8 is also arbitrary within the scope of the invention. 1. Apparatus for extracorporeal treatment of near-surface tumors in the human or animal body, with a generator and a transmitter antenna connected to it for generating and radiating electromagnetic high-frequency energy to be converted into heat in the body, the transmitter antenna being formed by a loop antenna or a simple current loop has magnetic dipole, and wherein in operation of the device the magnetic dipole is substantially parallel to the body surface to be irradiated and the emitted high-frequency electromagnetic field of the dipole at least approximately magnetic field components at a distance corresponding approximately to the distance of the body surface to be irradiated, characterized in that the magnetic dipole (7) is carried by a carrier device (35) which 4 AT 399 280 B is connected to a rotating arrangement (36), the axis of rotation of which is perpendicular to the plane of the magneti rule dipoles (7) and at a distance from its center, and with which the magnetic dipole (7) can be rotated eccentrically during the irradiation.

2. Device according to claim 1, characterized in that for the contactless inductive solution of the rotatable magnetic dipole (7) a coupling loop (20) is arranged in the vicinity thereof and is connected to the generator (10). Including 2 sheets of drawings io 15 20 25 30 35 40 45 50 5 55