Brevet FR2659016A1 — publié le 19910906

L'invention se rapporte à un équipement pour la radiothérapie par rayonnement, et plus particulièrement elle a trait aux applicateurs pour le réchauffement électromagnétique des tissus du corps humain. L'invention trouvera son application pour créer une hyperthermie locale d'un corps humain au cours du traitement des tumeurs malignes, ainsi qu'en physiothérapie. On connaît un dispositif pour le réchauffement électromagnétique des tissus du corps humain dans lequel la partie à réchauffer du corps humain est placée entre deux électrodes (US, A, 4140139). Dans ce dispositif, les lignes de force d'un champ électrique haute fréquence dans la zone de réchauffement maximal sont perpendiculaires à la limite de séparation des tissus adipeux et musculaire Le rapport des intensités du champ électrique dans les tissus adipeux et musculaire est inversement proportionnel au rapport des modules de leurs permittivités complexes, l'intensité de l'émission calorifique dans les tissus se définit par le produit de la conductibilité des tissus par le carré de l'intensité du champ électrique dans le tissu, et par conséquent le rapport t des intensités d'émission calorifique dans les tissus adipeux et musculaire peut être défini par l'expression e 2 2 /1/ U 2 1 È 1 o est la conductibilité du tissu adipeux 2 est la conductibilité du tissu musculaire 1 est la permittivité complexe du tissu adipeux F 2 est la permittivité complexe du tissu musculaire. La valeur de ce rapport pour le corps humain se trouve entre 7 et 10 et il se produit un suréchauffement sensible des tissus adipeux. Le suréchauffement des tissus adipeux conditionne l'impossibilité d'un réchauffement efficace des tumeurs localisées dans les tissus musculaires Afin de réduire le suréchauffement des tissus adipeux, on a recours, dans le dispositif connu, à de l'eau au moyen de laquelle on refroidit la surface du corps Cependant, lorsque l'épaisseur de la couche adipeuse dépasse 1 cm, il peut se produire des brûlures du tissu sous-cutané même dans le cas de l'utilisation d'un refroidissement à l'eau portée à une température de 30 C Pour cette raison, ce dispositif ne peut être utilisé que dans un nombre réduit de cas compte tenu de ce que l'épaisseur du tissu sous-cutané chez les malades oncologiques est en règle générale supérieure à 1 cm. On connaît un applicateur qui comporte une paire d'électrodes capacitives, dites électrodes coplanaires, qui sont disposées dans un même plan contactant la surface de la partie du corps qui fait l'objet du réchauffement (Proceeding IEEE, 62 ( 1), 1974 Guy A W, Lehmann J F, Stonebridge I B "Therapeutic Applications of Electro- magnetic Power", pages 55 à 75). Dans l'applicateur susmentionné, les lignes de force du champ électrique ne sont pas perpendiculaires à la limite de séparation des tissus adipeux et musculaire, mais cependant, ici aussi, le suréchauffement des tissus adipeux reste important et atteint la valeur de 3,3 D'autre part, un important inconvénient de cet applicateur consiste en ce qu'il y a un très net manque d'homogénéité du réchauffement en profondeur à cause de la chute rapide de l'intensité du dégagement calorifique dans les tissus musculaires, à mesure que l'on s'éloigne de la surface du corps. L'invention vise à mettre au point un applicateur 3 - pour le réchauffement électromagnétique des tissus du corps humain qui, grâce à la modification appropriée de la structure des électrodes, assurerait les conditions requises pour un réchauffement régulier des tissus profondément localisés du corps humain, l'échauffement du tissu adipeux se distinguant de peu de l'échauffement des tissus tumoraux et musculaires. Le problème posé est résolu du fait que, dans un applicateur pour le réchauffement électromagnétique des tissus du corps humain comportant une paire d'électrodes capacitives disposées près de la surface du corps, selon l'invention, les électrodes sont placées des deux côtés de la partie à réchauffer du corps de façon que chacune d'entre elles puisse embrasser tout au moins partiellement le corps humain, la longueur de l'électrode représentant plus du 1/3 de la circonférence de la partie embrassée du corps, et la surface de chaque électrode représentant plus des 2/3 de l'aire de la section de la partie à réchauffer du corps. Il s'avère avantageux que chaque électrode embrasse complètement le corps humain. Il est également avantageux que chaque électrode comporte au moins deux lames identiques connectées électriquement entre elles. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide des exemples qui vont suivre de sa réalisation, décrits en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 représente un applicateur selon l'invention, en vue générale; la figure 2 représente le même applicateur selon l'invention, en coupe longitudinale; la figure 3 représente un applicateur avec des électrodes composites, selon l'invention, en vue générale la figure 4 représente les courbes de répartition du réchauffement le long de l'axe d'un simulateur de tissu 4biologique; et la figure 5 représente les courbes de répartition de l'intensité d'émission calorifique sur la section du tissu musculaire. Ci-dessous sont donnés des exemples de réalisation de la présente invention. L'applicateur pour le réchauffement électromagnétique des tissus du corps humain montré à la figure 1, selon l'invention, comporte une paire d'électrodes capacitives 1 et 2, placées sur le corps humain, de deux côtés différents par rapport à la partie 3 du corps à réchauffer Les électrodes 1 et 2 embrassent partiellement le corps, la longueur de chaque électrode 1 ou 2 représentant plus du 1/3 de la circonférence de la partie embrassée 4 du corps humain, et l'aire de chaque électrode 1 ou 2 représentant plus des 2/3 de l'aire de la section de la partie 3 du corps à réchauffer. Les électrodes 1 et 2 peuvent être exécutées de façon que chacune d'entre elles embrasse totalement le corps, comme on peut le voir sur la figure 2. Chaque électrode 1 et 2 est composite en plusieurs pièces, et comporte deux ou plusieurs lames identiques 5, électriquement connectées entre elles par des conducteurs 6, comme on peut le voir à la figure 3. Les lignes de force 7 du champ électrique passent à travers les tissus adipeux 8 et musculaire 9, d'une électrode 1 à l'autre électrode 2, en produisant le réchauffement des tissus, comme montré à la figure 2. Si les électrodes 1 et 2 embrassent totalement le corps, les lignes de force 7 du champ, à cause de la symétrie axiale, ne peuvent pas se croiser avec l'axe de l'objet à réchauffer et se trouvent parallèles à ce dernier Les angles de déviation des lignes 7 de la normale à la limite 10 de séparation "graisse-muscle", dans ce cas, grandissent, ce qui mène à une réduction de l'échauffement relatif du tissu adipeux 8 à l'interface "graisse-muscle". Le même effet, mais dans une moindre mesure, apparaît dans le cas o les électrodes 1 et 2 n'embrassent que partiellement la partie à réchauffer 3 du corps Dans le cas o les électrodes embrassent la partie à réchauffer 3 du corps approximativement sur 1/3 de la longueur de sa circonférence, on obtient également un effet net de réduction du suréchauffement des tissus adipeux 8 (figure 2) Si on réduit encore la zone du corps embrassée par les électrodes, cet effet diminue rapidement et disparaît pratiquement à de petits angles d'embrassement, car, dans ce cas, les électrodes 1 et 2 deviennent pratiquement planes. Par ailleurs, le suréchauffement des tissus adipeux 8 dépend du rapport des aires des électrodes 1 et 2 et de la section transversale de la partie à réchauffer 3 du corps (figure 1) Si l'on examine le courant haute fréquence passant par la partie à réchauffer 3 du corps, il s'avère qu'il entre dans les tissus musculaires 9 (figure 2) par la surface latérale de la zone cylindrique sous l'une des électrodes, 1, passe le long de l'axe corporel et sort par la surface latérale sous l'autre électrode, 2 La densité du courant moyen j 2 entre les électrodes 1 et 2 dans la zone d'échauffement maximum des tissus musculaires 9 est ici liée à la densité du courant moyen j 1 sous les électrodes 1 et 2 dans la zone d'échauffement maximum des tissus adipeux 8 par le rapport des aires de la section transversale du corps 52 et de l'électrode Si, la relation entre j 2 et j 1 étant 51 j 2 = il /2/ Etant donné que la densité d'émission calorifique est proportionnelle au carré de la densité du courant, les densités d'émission calorifique dans les muscles, là o 6 - l'échauffement est maximal, P 2 max' et dans les muscles sous l'électrode, Plmax sont liées entre elles par la relation suivante: 2 max Smax(1)2 P 2 max = Plmax(_) 2 /3/ A l'interface "graisse-muscle" 10 sous l'électrode, le rapport t des intensités d'émission calorifique dans les tissus adipeux 8 et dans les tissus musculaires 9 s'exprime par: Pl /4/ et en définissant P 2 par Pl et a, on obtient que le rapport le entre les intensités maxima d'émission calorifique dans les tissus adipeux et musculaires Pl /5/ P 2 max définit le degré de suréchauffement des tissus adipeux 8 et dépend de la valeurt à la limite 10 de séparation "graisse-muscles" sous l'électrode et du rapport des aires 51 et 52: = V ()2 /6/ 7 - En utilisant des électrodes ayant une surface 51 supérieure à celle égale aux 2/3 de l'aire de la section transversale 52 de la partie à réchauffer du corps, on peut obtenir un rapport suffisamment petit 'Ä% des échauffements maxima des tissus adipeux et musculaires par rapport au réchauffement relatif c des tissus adipeux à la limite 10 de séparation "graisse-muscles" De cette façon, le suréchauffement des tissus adipeux caractérisé par la valeur de t% est réduit aussi bien grâce à la réduction de è que grâce à la réduction de 'KO par rapport à K Ces deux mécanismes de réduction du suréchauffement des tissus adipeux sont indissolublement liés l'un à l'autre compte tenu de ce que l'accroissement susmentionné de l'aire des électrodes n'est, dans la plupart des cas, possible que si l'on exécute les électrodes de façon qu'elles embrassent totalement ou partiellement la partie à réchauffer du corps. Il convient de noter que l'utilisation de la solution technique selon l'invention permet, outre la réduction du suréchauffement du tissu adipeux sous-cutané, d'augmenter l'homogénéité du réchauffement des tissus musculaires. Lorsque les électrodes embrassent complètement la partie à réchauffer du corps, grâce à la symétrie axiale, les courants se répartissent presque régulièrement dans la section du corps, ce qui assure une haute régularité du réchauffement dans toute la section A la suite de la réduction de l'angle d'embrassement, l'irrégularité du réchauffement dans la section du corps augmente, bien que, cependant, même en entourant la partie à réchauffer du corps par les électrodes sur 1/3 de sa circonférence, la régularité du réchauffement soit nettement meilleure que dans les applicateurs connus Il est avantageux d'utiliser des électrodes qui embrassent partiellement la partie à réchauffer du corps dans le cas o il s'avère nécessaire de réchauffer la partie du corps essentiellement d'un seul côté. 8 - Dans certains cas, par exemple lors du réchauffement d'un tronc humain, les électrodes doivent avoir une grande longueur ce qui rend leur application incommode. Dans le but de remédier à cet inconvénient, chacune des électrodes peut être réalisée sous la forme de deux lames 5 ou plus (figure 3), ce qui facilite leur mise en place sur le corps du patient et permet de modifier, dans de grandes limites, les dimensions des électrodes en faisant varier le nombre de lames 5 Par ailleurs, cela donne la possibilité de contrôler facilement la répartition du réchauffement dans la section du corps en modifiant la disposition réciproque des lames 5 L'applicateur selon l'invention fonctionne comme suit. A la suite de l'application d'un potentiel à haute fréquence U aux électrodes 1 et 2, il se produit entre elles un champ électrique haute fréquence, dont les lignes de force 7, montrées à la figure 2, passent de l'électrode 1 à l'électrode 2 par les tissus adipeux 8 et musculaires, 9 en produisant leur réchauffement. Par suite de la symétrie axiale de l'applicateur selon l'invention, la composante radiale du champ sur l'axe 7 de la partie à réchauffer du corps 3 est absente, et pour cette raison, les lignes de force 7 du champ tendent à occuper une position parallèle à la surface du corps Il en résulte que l'inclinaison des lignes de force 7 à la limite de séparation "graisse-muscles" augmente, ce qui apporte une réduction du réchauffement relatif e du tissu adipeux 8 à l'interface 10. Vu que la surface totale des lames 5 est supérieure aux 2/3 de l'aire de la section transversale de la partie à réchauffer 3 du corps, la densité des lignes de force 7 et, par conséquent, la densité du courant dans la section transversale du corps entre les électrodes 1 et 2 ne diffère que très peu et est plus basse ou plus haute de celle à la surface du tissu musculaire 9 sous les 9 - électrodes 1 et 2 Pour cette raison, l'intensité du dégagement calorifique dans la zone entre les électrodes 1 et 2 n'est plus basse ou plus haute qu'à la surface du tissu musculaire 9 sous les électrodes 1 et 2, que d'une valeur insignifiante Cela donne un rapport suffisamment bas IKO des intensités maximales de dégagement calorifique dans les tissus adipeux 8 et musculaires 9 relativement au réchauffement relatif' notablement. On a effectué l'étude de la répartition de l'émission calorifique créée par l'application selon l'invention sur un simulateur cylindrique d'un membre humain d'un diamètre externe de 16 cm, avec une épaisseur de la couche adipeuse de 2 cm et des caractéristiques électrophysiques correspondant à celles des tissus adipeux et musculaire humains à une fréquence de travail de 40,68 M Hz. D'autre part, on a réalisé des essais, sur un simulateur plat à deux couches d'un objet biologique, avec les mêmes paramètres électrophysiques et la même épaisseur de la couche adipeuse, des applicateurs selon l'invention avec des électrodes planes placées des deux côtés opposés par rapport à la zone à chauffer et installées de façon coplanaire, représentant un analogue et l'antériorité la plus proche de la présente invention. Les dimensions des électrodes dans les applicateurs soumis à l'essai et les valeurs obtenues du réchauffement relatif des tissus adipeux figurent dans le tableau ci-dessous. - Tableau n Type des électrodes Longueur de la de l'applicateur des élec- ver trodes, sion cm 1 Planes, disposées des côtés opposées (connues) 2 Planes coplanaires (connues) Largeur des él- ectro- des, cm Rapport des ai- res de l'élec- trode et de la section f O du simu- lateur 7,2 - 3,3 - 3 Embrassant complète- ment la partie à réchauffer du corps 4 Embrassant complète- la partie à réchauffer du corps Embrassant la moitié de la périphérie de la partie à réchauf- fer 1,8 2,7 0,91 0,78 1,35 2,0 9 il - Dans toutes les versions, la distance entre la surface du simulateur et les lames était égale à 2 cm. On peut voir, dans ce tableau, que dans les applicateurs connus, les tissus adipeux subissent un important suréchauffement, ce qui réduit la possibilité de réchauffement efficace des tissus musculaires. L'applicateur selon l'invention permet de réduire nettement le suréchauffement du tissu adipeux, et dans certains cas même d'obtenir essentiellement le réchauffement des tissus musculaires ( t a 1). La figure montre les données expérimentales concernant les répartitions du réchauffement le long de l'axe du simulateur cylindrique à double couche d'un membre au moyen de l'applicateur selon l'invention, le simulateur étant embrassé entièrement par les électrodes. On porte sur l'axe des ordonnées l'intensité relative P d'émission calorifique, et sur l'axe des abscisses, la coordonnée Z qui suit l'axe du simulateur Le point Z=O correspond au milieu de la distance entre les électrodes. La position de l'électrode est désignée par les segments de ligne sous l'axe des abscisses La courbe 11 correspond au réchauffement de la couche adipeuse, et les courbes 12 et 13, au réchauffement du tissu musculaire à la surface et sur l'axe du simulateur, respectivement. Le maximum de réchauffement du tissu musculaire se situe dans le plan médian entre les électrodes, et la longueur de la zone de réchauffement au niveau 0,5 par rapport à la valeur maximale est approximativement égale à la distance entre les centres des électrodes Les maxima de réchauffement du tissu adipeux se trouvent approximative- ment sous les centres des électrodes et nettement plus bas que le réchauffement maximum des muscles La comparaison des courbes 12 et 13 témoigne d'une haute régularité du réchauffement dans la section du tissu musculaire. La figure 5 montre les données expérimentales concernant les répartitions de l'intensité de l'émission 12 - calorifique sur la section du tissu musculaire, obtenues à la suite du réchauffement du simulateur cylindrique par l'applicateur selon l'invention pour le cas o la partie du corps à réchauffer est embrassée sur toute sa périphérie: courbe 14, sur la moitié de sa périphérie: courbe 15, et à la suite du réchauffement d'un simulateur plat par un applicateur connu avec des électrodes planes coplanaires: courbe 16. Sur l'axe des ordonnées est portée l'intensité relative P de l'émission calorifique Le diamètre de la couche musculaire dans le simulateur cylindrique est de 12 cm. Les courbes représentées témoignent d'une haute régularité du réchauffement sur la section de tissu musculaire dans le cas o la partie à réchauffer est embrassée sur toute sa périphérie par les électrodes du simulateur, et d'une régularité suffisamment haute dans le cas o elle n'est embrassée qu'à moitié: la profondeur de la demi-chute de l'émission calorifique représente 8 cm pour un diamètre du tissu musculaire de 12 cm La comparaison des courbes 14 et 15 avec la courbe 16 montre que la répartition de l'émission calorifique obtenue à l'aide de l'applicateur selon l'invention est nettement plus régulière que celle obtenue par les applicateurs connus, pour lesquels la profondeur de demi-chute de l'émission calorifique représente en tout 2 cm, ce qui est inapplicable pour le réchauffement des formations profondes. L'applicateur selon l'invention a été utilisé pour l'hyperthermie de tumeurs profondément localisées des membres et des viscères (reins, foie) en association avec une chimiothérapie et une gammathérapie 30 séances d'hyperthermie ont été réalisées chez 14 malades La température atteinte dans les tumeurs se maintenait au niveau de 42 à 430 C. L'applicateur selon l'invention permet d'obtenir un 13 - réchauffement régulier des zones des parties cylindriques ou presque cylindriques d'un corps humain (membres, tronc) sans suréchauffement sensible du tissu sous-cutané Cela permet de l'utiliser largement pour le réchauffement des tumeurs malignes profondément localisées des membres et du tronc de l'être humain. L'utilisation de l'applicateur selon l'invention élargira nettement les possibilités de traitement efficace des tumeurs malignes utilisant l'hyperthermie électromagné- tique et par cela même améliorera l'efficacité du traite- ment des tumeurs malignes. 14 - R E V E N D I C A T I O N S 1 Applicateur pour le réchauffement électromagné- tique de tissus de corps humaine, du type comportant une paire d'électrodes capacitives placées à proximité de la surface du corps, caractérisé en ce que les électrodes ( 1 et 2) sont disposées des deux côtés de la partie à réchauffer ( 3) du corps de façon que chacune d'entre elles puisse embrasser au moins partiellement le corps du patient, la longueur de chaque électrode ( 1 ou 2) représentant plus du 1/3 de la circonférence de la partie embrassée ( 4) du corps, et l'aire de chaque électrode ( 1 ou 2) représentant plus des 2/3 de l'aire de la section de la partie à réchauffer ( 3) du corps. 2 Applicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque électrode ( 1 ou 2) embrasse totalement le corps du patient. 3 Applicateur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque électrode ( 1 ou 2) comporte au moins deux lames identiques ( 5), connectées électriquement entre elles.