DE3831016C2 - - Google Patents
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- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
- A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
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Description
Die Erfindung betrifft einen interstitiellen Hyperthermie-
Mikrowellenapplikator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hyperthermie als Hirntumortherapie stellt besondere
Anforderungen an das Behandlungssystem. Hoher Blutfluß,
besondere Temperaturempfindlichkeit des gesunden
Gehirngewebes und eingeschränkte chirurgische Möglichkeiten
bei der Behandlung des Tumors bedürfen eines
Hyperthermiesystems, das besonders kompakt eine ausreichend
hohe Wärmeenergiedeposition in einem genau definierten
Zielvolumen im Gehirn zuläßt.
1986 haben Mechling und Strohbehn in Int. J. Rad. Oncol.
Biol. Phys., Vol. 12, S. 2137-2149 auf die Vorteile von
Mikrowellenantennen bei der Hirntumorhyperthermie
hingewiesen. Diese Applikatoren eignen sich besonders in
Kombination mit der stereotaktisch geführten interstitiellen
Strahlentherapie.
King, Trembly und Strohbehn beschrieben 1983 in IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.
MTT-31, Nr. 7, Juli 1983, S. 574-583 das elektromagnetische
Feld einer solchen isolierten Antenne in einem leitenden
oder dielektrischen Medium. Sie gingen dabei von einem
symmetrischen, von der Mitte aus gespeisten Dipol aus. Diese
symmetrische Form der Antenne wurde bisher für die
Hirntumorhyperthermie nicht realisiert.
Die z. Zt. eingesetzten Antennen bestehen z. B. aus einem Koaxialkabel,
an dessen einem Ende der Innenleiter herausgeführt und z. B.
an eine Verlängerung mit dem Durchmesser des Außenleiters
gelötet wird. Koaxialkabel und Verlängerung befinden sich in
einem elektrisch isolierenden Schlauch wie z. B. einem
Katheter aus Teflon. Diese erstmals von Taylor in
Proceedings of the IEEE, 68, 142-149, 1978 vorgeschlagene
und isolierte koaxiale Mikrowellenantenne hat den Nachteil,
daß ihre Energieverteilungskontur sehr stark von der
Eindringtiefe der Antenne ins Gewebe abhängt. Im Falle der
Hirntumorhyperthermie bedeutet dies, daß die
Energieverteilungskontur der Mikrowellenantenne vom Abstand
zwischen Einspeisepunkt und Hirnoberfläche abhängt. Damit
kann eine Überwärmung des gesunden Hirngewebes nicht
ausgeschlossen werden. Dieses Problem ist bekannt.
Eine grundlegende Arbeit stammt von King, Shen und Wu
"Embedded Insulated Antennas For Communication And Heating",
Electromagnetic 1: 51-72, 1981. Von dieser gattungsbildenden Schrift
geht der Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Die
Autoren geben Auslegungskriterien an, wie sie bei Antennen
im Gebiet hoher Frequenzen zur Anwendung kommen, wobei das
Anwendungsgebiet u. a. auch die Wärmebehandlung von Tumoren
umfaßt. Hierbei werden auch Monopol-Antennen betrachtet und
deren optimale Auslegung im Hinblick auf die abgestrahlte
Leistung wird untersucht. Der Monopol wird gebildet, indem
sich der Innenleiter eines speisenden Koaxialkabels um eine
bestimmte Länge gegenüber dem Außenleiter weitererstreckt.
Der sich erstreckende Teil kann dabei den gleichen oder auch
einen größeren Durchmesser haben als der Außenleiter. Um die
Leitung abzuschließen, kann eine mit dem Außenleiter
kurzgeschlossene Metallscheibe in einem gewissen Abstand
hb vom Beginn der Erstreckung angebracht werden, so daß
βL2 hb = π wird. Um die Wirksamkeit dieser
Metallscheibe beim Unterdrücken zu erhöhen, kann eine Reihe
von solchen Metallscheiben in einem Abstand von π/2
vorgesehen werden. Um jedoch die Abstrahlung von der Koaxialleitung ins umgebende Medium möglichst
klein zu machen, muß das Verhältnis von Durchmesser
Metallscheibe zu Durchmesser Koaxialleitung sehr groß sein.
Da jedoch bei der Mikrowellenbehandlung am lebenden Objekt
die Abmessungen möglichst klein zu halten sind, wird mit
dieser Anordnung noch erheblich Energie ins umgebende Medium
abgestrahlt.
Andere Antennenkonstruktionen, wie z. B. mit sich vom
Einspeisepunkt stufenweise erweiternden Antennenhälften
(Turner, IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques, Vol. MTT-34, Nr. 5, Mai 1986, S. 572-578) oder
mono- und bikonische Antennen (Roos und Hugander, Int. J.
Hyperthermia, Vol. 4, 1988, Nr. 6, S. 609-615) konnten den
o. g. Effekt reduzieren, aber nicht beseitigen. Das gilt auch
für die von Lin und Wang in Int. J. Hyperthermia, Vol. 3,
Nr. 1, S. 37-47, 1986 vorgestellte Koaxialschlitzantenne
bzw. der "Multiple nodes" - Applikator von Lee, O′Neill,
Lam, K.-S., Rostock und Lam, W.-C. in Int. J. Radiation
Oncology Biol. Phys., Vol. 12, S. 2003-2008, 1986.
Aus der US-PS 47 00 716 ist ein interstitieller Hyperthermie-
Mikrowellenapplikator bekannt, an dessen proximalem Ende ein
Transformator zur Impedanzanpassung angeordnet ist. Dabei ist
der Transformator in Form eines einseitig offenen Metallzylinders,
der mit einem Dielektrikum gefüllt ist, ausgebildet.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin,
den gattungsgemäßen Mikrowellenapplikator derart
weiterzubilden, daß sich bei den Vorgaben bezüglich der
Baugröße eine möglichst hohe Energiekonzentration auf ein
definiertes Zielvolumen realisieren läßt.
Dieses Problem wird durch einen interstitiellen
Hyperthermie-Mikrowellenapplikator mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Mit dem Lambda/2-Transformator lassen sich ein definierter
Antennenwiderstand und damit definierte Abstrahlungs
verhältnisse mit erheblich kleineren Applikatordurchmessern
realisieren. Mit dieser Konstruktion wird ein Rücklaufen von
Energie über den Außenmantel des Zuführungskabels
(Koaxialkabel) zum Generator und damit ein eventuelles
Aufheizen von gesundem Gewebe weitgehend vermieden.
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Monopol-Applikator.
Das Koaxialkabel als Hochfrequenz-Speiseleitung vom
Generator tritt durch eine Öffnung in ein eintrittsseitig
an sich geschlossenes und austrittsseitig offenes Metallrohr
ein, das im folgenden mit Metallkragen bezeichnet wird. Der
Metallkragen ist mit einem Dielektrikum gefüllt. Am
austrittsseitigen Ende des Metallkragens endet auch der
Außenleiter des Koaxialkabels. Nur der Innenleiter
erstreckt sich in einen Metallzylinder 2, der zusammen mit
dem Spalt zwischen seinem unteren Ende und dem oberen Ende
des Metallkragens die Heizzone bildet.
Beim Monopol-Applikator ist die Verwendung eines Dielektrikums
mit hoher Dielektrizitätskonstante nicht notwendig. Der
Metallkragen ist zwar 2×lambda/4 lang. Die mechanische
Länge hängt aber von der Dielektrizitätskonstante des
Dielektrikums ab.
Es ist ersichtlich, daß beim Monopolapplikator die Heizzone
gegenüber einem Dipolapplikator bei
sonst gleichen Abmessungen
verkürzt ist.
Fig. 2 zeigt in den dargestellten Kurven den
Feldstärkeverlauf eines herkömmlichen Applikators und den
des erfindungsgemäßen Monopolapplikators. |Ez|2=
Betragsquadrat der z-Komponente des elektrischen Feldes.
z-Achse = Antennenachse.
Während der herkömmliche Applikator entlang seiner
Versorgungsleitung in Richtung Generator noch relativ stark
ins umgebende Medium abstrahlt, konzentriert sich die
Energieabgabe des erfindunsgemäßen Applikators mehr auf das
Gebiet um die Einspeisestelle bis zur Spitze. Ebenso konnte
beim herkömmlichen Applikator eine starke Abhängigkeit der
Impedanz und damit der aufgenommenen Leistung vom Abstand
zwischen Einspeisepunkt und Oberfläche des Mediums in
axialer Richtung der Antenne, d. h. der Eindringtiefe
beobachtet werden. Der erfindungsgemäße Applikator zeigte
dieses Verhalten wesentlich reduziert. Das Anbringen
weiterer lambda/2 Kurzschlußtransformationen koaxial zum
bestehenden lambda/2 Transformator kann die Eigenschaften
des Applikators weiter verbessern. Ebenfalls verbessert das
Anbringen eines oder mehrerer lambda/4 Sperrtöpfe um den
oder die lambda/2-Transformatoren die Eigenschaften des
Applikators.
Die Feldstärkemessungen wurden mit einer Zero-Bias-Schottky
Diode von Alpha-Industries durchgeführt. Die
Spannungsmessung erfolgte mit einem Digital-Multimeter von
Keithley. Als dissipatives Medium wurde ein Phantommaterial
aus Polyethylenpulver, Geliermittel, Wasser und Salz
eingesetzt, dessen komplexe Permittivität der von
Gehirngewebe entspricht. Die genaue Zusammensetzung wurde
von C. K. Chou in einem Vortrag: "Phantoms for
Electromagnetic Heating Studies" auf der Tagung "Physics and
Technology of Hyperthermia" in Urbino, Italien, 26. Juli bis
9. August 1986, beschrieben.
Die geringen möglichen Abmessungen des Gerätes und die
exakte Konzentration der Energieabgabe gestatten die
Anwendung nicht nur bei der Hirntumortherapie, sondern auch eine
interstitielle lokale Hyperthermie an anderen Stellen des
Körpers. Strahlenbiologische und auch klinische
Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß die lokale
Hyperthermie in Verbindung mit einer unmittelbar
anschließenden Strahlentherapie eine verstärkte Wirkung auf
das Tumorgewebe hat. Somit ist das Gerät nicht nur auf die
stereotaktisch geführte Hirntumorhyperthermie beschränkt,
sondern kann z. B. auch bei Prostatacarcinom, Cervical- und
Vaginal-Carcinom angewandt werden.
Claims (5)
1. Interstitieller Hyperthermie-Mikrowellenapplikator mit
definierter, begrenzter Verteilung des
elektromagnetischen Feldes, in Form einer
Monopol-Antenne, die auf dem Außenmantel des koaxialen
Speisekabels eine Verdickung zur Veränderung ihrer
Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
diese Verdickung als Lambda/2-Transformator wirkt, der
einen Kurzschluß beim Außenmantel unmittelbar vor der
Verdickung auf einen Kurzschluß über der Einspeisestelle
unmittelbar am Fußpunkt der Monopol-Antenne transformiert.
2. Applikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Lambda/2-Transformator in Form eines einseitig
offenen Metallzylinders ausgebildet ist, der mit einem
Dielektrikum gefüllt ist.
3. Applikator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß weitere
Lambda/2-Kurzschlußtransformatoren koaxial zu dem
Lambda/2-Transformator vorgesehen sind.
4. Applikator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere
Lambda/4-Sperrtöpfe um den oder die
Lambda/2-Transformatoren vorgesehen sind.
5. Applikator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lambda/2-Transformatoren oder die
Lambda/4-Sperrtöpfe Röhrchen aus Material mit hoher
Dielektrizitätskonstante und kleinem Verlustfaktor,
insbesondere Al2O3-Röhrchen sind.
Priority Applications (1)
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DE19883831016 DE3831016A1 (de) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | Interstitielle hyperthermie-mikrowellenapplikatoren mit optimierter verteilung des elektromagnetischen feldes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883831016 DE3831016A1 (de) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | Interstitielle hyperthermie-mikrowellenapplikatoren mit optimierter verteilung des elektromagnetischen feldes |
Publications (2)
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DE3831016A1 DE3831016A1 (de) | 1990-03-15 |
DE3831016C2 true DE3831016C2 (de) | 1992-11-19 |
Family
ID=6362807
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883831016 Granted DE3831016A1 (de) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | Interstitielle hyperthermie-mikrowellenapplikatoren mit optimierter verteilung des elektromagnetischen feldes |
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Country | Link |
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DE (1) | DE3831016A1 (de) |
Cited By (1)
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WO1995005869A1 (en) * | 1993-08-24 | 1995-03-02 | Kaare Grue | A probe for a microwave apparatus for clinical and surgical treatment |
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1988
- 1988-09-12 DE DE19883831016 patent/DE3831016A1/de active Granted
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Also Published As
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