Brevet FR2659018A1 — publié le 19910906

L'invention se rapporte à un équipement pour la radiothérapie, et plus précisément elle a trait aux applicateurs pour la création d'une hyperthermie locale dans le corps humain. L'invention peut trouver son application dans le traitement des tumeurs malignes ainsi qu'en physiothérapie. On connaît des applicateurs pour la création d'une hyperthermie locale dans le corps humain qui comprennent un résonateur unique à microbande sur support diélectrique, ledit résonateur étant revêtu sur sa face inverse d'un écran, et une ligne d'alimentation électriquement connectée au résonateur et à l'écran Le résonateur contacte une couche diélectrique, qui, au cours de l'hyperthermie, est orientée, par sa surface opposée, vers le corps du patient, et par le biais de laquelle le rayonnement électro- magnétique pénètre dans le corps du patient (US, A, 4600018; GB, A, 2122092). Les applicateurs de ce type n'assurent pas l'homogénéité de la répartition de la puissance du rayonnement électromagnétique absorbé par le corps humain sur une longueur supérieure à la longueur du résonateur. On connaît également des applicateurs qui comprennent un radiateur à micro-ondes qui forme une onde électro- magnétique orientée sur la partie à irradier du corps, et dans lequel l'électrode émettrice et l'électrode-écran sont électriquement connectées par une barrette le long de l'un des côtés de chacune d'elles Les électrodes sont disposées de différents côtés d'un support diélectrique Le radiateur porte une couche diélectrique qui, au cours de l'hyperthermie, est orientée vers la partie à irradier du corps humain Par ladite couche passe l'onde électro- magnétique venant du radiateur auquel on applique, par une ligne d'alimentation, des oscillations électromagnétiques d'une longueur d'onde prédéterminée (US, A, 4589422; GB, A, 2135891). Les applicateurs connus susmentionnés n'assurent pas 2 - non plus l'homogénéité de la répartition de la puissance d'irradiation électromagnétique absorbée par le corps humain sur une longueur supérieure à la longueur de l'électrode émettrice du résonateur. Le problème posé dans la présente invention consiste à mettre au point un applicateur pour la création d'une hyperthermie locale du corps humain, permettant d'obtenir une répartition homogène de la puissance thermique absorbée par le corps sur une longueur supérieure à la longueur de l'électrode émettrice, et cela grâce à la sélection des paramètres et des dimensions du radiateur à micro-ondes. Ce problème est résolu du fait que, dans un applicateur pour la création d'une hyperthermie locale dans le corps humain, comportant un radiateur à micro-ondes qui forme une onde électromagnétique qui se dirige sur la partie à irradier du corps du patient et qui comporte une électrode émettrice et une électrode servant d'écran qui sont en connexion électrique entre elles par au moins une barrette de connexion et se trouvent sur les côtés opposés d'un support diélectrique, une couche diélectrique qui est disposée sur le radiateur à micro-ondes et est orientée vers la partie à irradier du corps humain au cours de l'hyperthermie et par laquelle passe l'onde électromagnétique venant du radiateur à micro-ondes, et une ligne d'alimentation au moyen de laquelle des oscillations électromagnétiques d'une longueur d'onde déterminée sont appliquées au radiateur à micro-ondes, selon l'invention, l'électrode émettrice et celle servant d'écran du radiateur à micro-ondes sont rectangulaires et disposées sur le support diélectrique de façon que leurs côtés soient parallèles deux à deux, les barrettes de connexion sont parallèles à l'un des côtés de l'électrode émettrice et à une distance par rapport au côté opposé de l'électrode émettrice égale au 1/4 de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique, la distance entre le côté de l'électrode émettrice, qui est parallèle 3 - aux barrettes et en est éloigné du 1/4 de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique, et n'importe quel côté qui lui est parallèle de l'électrode servant d'écran étant égale à 0,2 0,6 fois la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique, et l'épaisseur du support diélectrique est égale à 0,003 0,03 fois la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique d'alimentation. Il est avantageux que les distances entre le côté de l'électrode émettrice, qui est parallèle aux barrettes et en est éloigné du 1/4 de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique, et chaque côté de l'électrode-écran qui lui est parallèle, soient égales. Dans le cas o l'applicateur selon l'invention comprend un système de refroidissement à l'eau placé entre le corps du patient et le support diélectrique, une cavité remplie d'eau du système de refroidissement peut se trouver juste au-dessus de l'électrode-écran et peut avoir des dimensions qui coïncident avec celles de ladite électrodeécran. L'invention sera bien comprise à l'aide des exemples qui suivent de sa réalisation, donnés en références aux dessins schématiques annexés dans lesquels: la figure 1 représente un applicateur selon l'invention, en coupe transversale; la figure 2 représente un radiateur à micro-ondes, selon l'invention, en vue de dessus; la figure 3 représente une autre version d'exécution du radiateur à micro-ondes selon l'invention, en vue de dessus; la figure 4 représente une version d'exécution de l'applicateur, selon l'invention, en coupe longitudinale la figure 5 représente le schéma qui explique la formation, par l'applicateur selon l'invention, d'une émission calorifique homogène dans la partie à réchauffer 4- du corps humain; et la figure 6 donne les caractéristiques expérimentales de l'une des versions de réalisation de l'applicateur selon l'invention. L'applicateur pour la création d'une hyperthermie locale dans le corps humain, selon l'invention, que l'on peut voir à la figure 1, comporte un radiateur à micro-ondes quart d'onde 1 possédant un support diélectrique 2, une électrode émettrice 3 qui se trouve sur l'une des faces du support 2, une électrode servant d'écran 4 qui se trouve à l'autre face du support 2, et une barrette de connexion 5 connectant électriquement les électrodes 3 et 4. L'applicateur selon l'invention comporte également une couche intercalaire diélectrique 6, qui se trouve sur le radiateur 1 et est orientée vers la partie à irradier 7 du corps du patient, et une ligne d'alimentation 8 munie d'un conducteur extérieur 9 et d'un conducteur intérieur 10 qui sont, respectivement, reliés aux électrodes 4 et 3. Les électrodes 3 et 4 de la figure 2 de forme rectangulaire sont placées sur le support 2 de façon que leurs côtés correspondants 11 et 11 ', 12 et 12 ', 13 et 13 ', 14 et 14 ' soient parallèles deux à deux L'électrode émettrice 3 est plus petite que l'électrode-écran 4. Pour créer une répartition symétrique du champ électrique dans la couche 6, le support 2 porte un élément électroconducteur qui a la même forme et les mêmes dimensions que l'électrode émettrice, comme on peut le voir à la figure 3. Les barrettes de connexion 5 qui connectent élec- triquement les électrodes 3 et 4 sont parallèles à l'un des côtés de l'électrode 3, notamment au côté 12, comme le montre la figure 3 Les barrettes 5 sont éloignées de l'autre côté 11 de l'électrode 3 d'une distance égale au 1/4 de la longueur d'onde A\ 2 du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique 2. - La dis ance X 1, X 2 séparant le côté 11 de l'électrode émettrice de n'importe quel côté 12 ' ou 11 ' qui lui est parallèle, de l'électrodeécran 4, est égale à 0,2 0,6 fois la longueur d'onde k 6 du rayonnement électro- magnétique dans la couche diélectrique 6 Si l'on admet que cette dis-ance est inférieure à_ 0,2 fois la longueur d'onde les d -ensions de la zone du dêgage-ent calorifique régulier devl-ennent plus petites que dans les applicateurs connus, foncz-onnant à la même fréquence et ayant le même matériau du support 2. Si l'onr admet la distance susmentionnée supérieure a 0,6 fois la l:gueur d'onde A 6 il esr pratiauement imopossible d':btenir, dans la zone de travail, un ceoagemenz ca-orifique régulier, d'une irégularié inférieure = 3 d B. Il s'es avéré, dans la pratique, que la distance X entre le côté 12 de l'électrode 3 et chacun des côtés 12 ' et 1 l' de l'électrode 4 peut être la même Cela simplifie la technologie de fabrication du radiateur selon l'invention. La couche diélectrique 6 de la figure 1 influe également sur la régularité du processus de dégagement calorifique, et pour cette raison, on choisit une épaisseur de la couche 6 égale à 0,003 0,03 fois la longueur d'onde k du rayonnement électromagnétique appliqué au radiateur 1. Si l'épaisseur de la couche 6 est inférieure à 0,003 K, il n'est pas possible d'obtenir des dimensions suffisamment importantes de 'la zone du dégagement calorifique en longueur du champ électrique Dans le cas o l'épaisseur d est supérieure-à 0,03 et pour une distance X 1, X 2 entre le côté 11 de l'électrode 3 et les côtés 11 ', 12 ' de l'électrode 4 comprise entre les limites de 0,4 k à 0,6 | o E est la perméabilité v& VUFL 6 - diélectrique relative du matériau de la couche 6 et est la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique appliqué, il se forme une zone de faible dégagement calorifique avec une grandeur du dégagement calorifique relatif inférieure à 0,5, ce qui rend impossible l'obtention d'une grande zone de dégagement calorifique régulier (avec une irrégularité inférieure à 3 d B). La couche 6 de la figure 4 représente une partie du corps 16 de l'applicateur selon l'invention et forme un système de refroidissement à l'eau, doté d'une cavité 17 munie de raccords 18 et 19 pour l'amenée et la sortie de l'eau Dans la cavité 17, il y a des saillies 20 pour assurer l'écoulement libre de l'eau à travers ladite cavité 17 lors de la flexion de l'applicateur. Du côté qui contacte le corps du patient, le corps 16 est délimité par une membrane 21 Tout le corps est réalisé en une matière élastique, par exemple, en caoutchouc. La cavité 17 est placée directement au-dessus de l'électrode-écran 4 et leurs dimensions coïncident Cela influence également le processus de formation d'un dégagement calorifique régulier sur toute la longueur du radiateur 1 (figure 1). La figure 5 présente un schéma expliquant la formation, par l'applicateur selon l'invention, d'une émission calorifique régulière dans le corps humain 7 soumis au réchauffement Le diagramme 22 représente le rapport de l'intensité de l'émission calorifique dans le corps humain 7 soumis au réchauffement à sa valeur maximale PO en fonction de la coordonnée Xquicorrespond à un déplacement, sur la surface du corps humain 7 à réchauffer, suivant les lignes de force 23 du champ électrique dans le corps humain à réchauffer. Le diagramme 22 illustre l'obtention d'un dégagement calorifique pratiquement régulier sur une distance supérieure à la longueur de l'électrode émettrice 3. La figure 6 rapporte la limite 24 obtenue 7 - expérimentalement de la zone 25 de dégagement calorifique régulier, créé par un applicateur selon l'invention dont les dimensions de l'électrode-écran 4 sont égales à 220 x 300 mm. Le diagramme 22 ' montre les données expérimentales de la répartition du rapport P/P, correspondant à la zone 25 dont les dimensions sont de 200 x 220 mm. L'applicateur pour la création d'une hyperthermie locale dans le corps humain, selon l'invention, fonctionne comme suit. On dispose l'applicateur sur la partie à irradier du corps humain 7 (figure 1) en y appliquant la membrane 21 (figures 4 et 5) La couche diélectrique 6 se trouve alors entre le radiateur 1 et la surface du corps humain 7 La membrane 21 doit s'accoler fermement contre le corps 7 afin d'assurer une liaison électrique stable entre le radiateur 1 et le corps 7 L'eau s'écoule à travers la cavité 17, assurant le refroidissement de la couche superficielle des tissus du corps humain 7 au cours de l'hyperthermie. On amène, à la ligne d'alimentation 8, un rayonnement à micro-ondes d'une fréquence prédéterminée Les électrodes 3 et 4 et les barrettes de connexion 5 forment un résonateur rectangulaire plan quart d'onde, dans lequel est excité un champ électrique à micro-ondes Les lignes de force 26 (figure 6) de ce champ, sur le côté 11 de l'électrode 3 qui n'est pas électriquement connecté à l'électrode 4, pénètrent dans la couche 6 et excitent une ligne de transmission équivalente du champ à micro-ondes constituée par l'électrode 3, l'élément électroconducteur 15 et le corps humain 7 La couche 6 sert d'isolateur de cette ligne de transmission équivalente, la perméabilité diélectrique et l'épaisseur de ladite couche déterminant les paramètres électriques de la ligne de transmission équivalente, c'est-à-dire les constantes B et c L de propagation et d'affaibilissement des ondes. A droite et à gauche du côté 11 de l'électrode 3 dans -8- la ligne équivalente de transmission, les ondes excitées se propagent vers le côté 12 de l'électrode 3 et vers le côté 27 (figure 5) de l'élément 15, s'en réflechissent et forment, dans la ligne équivalente, un tableau d'ondes stationnaires Dans ce cas, la répartition du dégagement calorifique P le long de cette ligne équivalente est proportionnelle au carré de l'amplitude du courant passant dans la ligne et est donnée par l'expression: * 1 Ich 2 l (x 1-x) cos 2 B (x 2-x) pour O x 4 x 1 P = ( 1) * 2 (ch 2 JL (x 2-x) cos 2 B (x 2-xj pour O > x > x 2 o x 1, x 2 sont les distances entre le côté 12 de l'élec- trode 3 et les côtés 11 ' et 12 ' de l'électrode 4, B est la constante de propagation de l'onde dans la ligne équivalente de transmission, m L est la constante d'affaiblissement de l'onde dans la ligne équivalente de transmission, K 1, K 2 sont des facteurs d'échelle, x est la coordonnée courante le long d'un axe parallèle aux lignes de force 23 (figure 5) du champ électrique, ch est le cosinus hyperbolique. Le diagramme 22 montre avec évidence le changement du dégagement calorifique le long de l'électrode 3 On voit qu'il existe une zone 25 suffisamment grande de dégagement calorifique pratiquement régulier qui se propage sur une distance supérieure à la longueur de l'électrode émettrice 3 Ainsi donc, les relations choisies des dimensions du 9 - radiateur 1 permettent, sans recourir à des modifications constructives supplémentaires, d'obtenir un dégagement calorifique régulier et suffisant pour l'hyperthermie locale Cela se confirme également par les données expérimentales (figure 6). L'applicateur a été utilisé pour la réalisation de 24 séances d'hyperthermie en association avec une gamma- thérapie chez six patients souffrant de sarcomes des parties molles excédant une dimension de 20 cm Sous la tumeur, la température était maintenue au niveau de 42 à 430 C pendant une heure Après le traitement, tous les patients subirent une intervention chirurgicale. - R E V E N D I C A T I O N S 1 Applicateur pour la création d'une hyperthermie locale dans le corps humain, du type comportant un radiateur à micro-ondes qui forme une onde électro- magnétique que l'on dirige sur la partie à irradier du corps humain et qui comporte une électrode émettrice et une électrode servant d'écran électriquement connectées par au moins une barrette de -connexion et placées sur les faces opposées d'un support diélectrique, une couche diélectrique placée sur le radiateur à micro-ondes et orientée vers la partie à irradier du corps humain au cours de l'hyper- thermie et par laquelle passe l'onde électromagnétique venant du radiateur à micro-ondes et une ligne d'alimentation par laquelle on amène, au radiateur à micro- ondes des oscillations électromagnétiques d'une longueur d'onde prédéterminée, caractérisé en ce que l'électrode émettrice ( 3) et l'électrode-écran ( 4) du radiateur à micro-ondes ( 1) sont rectangulaires et placées sur le support diélectrique ( 2) de façon que leurs côtés ( 11-14, 11 '-14 ') soient parallèles deux à deux, les barrettes de connexion ( 5) sont parallèles à l'un des côtés ( 12) de l'électrode émettrice ( 3), à une distance par rapport à son côté opposé ( 11) qui est égale au 1/4 de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique ( 2), la distance entre le côté ( 11) de l'électrode émettrice ( 3), qui est parallèle aux barrettes ( 5) et en est éloigne du 1/4 de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique ( 2), et n'importe quel côté ( 11 ', 12 ') qui lui est parallèle de l'électrode-écran ( 4) étant égale à 0,2 à 0,6 fois la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans la couche diélectrique ( 6), l'épaisseur de la couche diélectrique ( 6) étant égale à 0,003 0,3 fois la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique d'alimentation. 2 Applicateur selon la revendication 1, caractérisé il - en ce que les distances entre le côté ( 11) de l'électrode émettrice ( 3), qui est parallèle aux barrettes de connexion ( 5) et en est éloigné du 1/4 de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dans le support diélectrique ( 2), et n'importe quel côté ( 11 ', 12 '), qui lui est parallèle, de l'électrode-écran ( 4), sont égales. 3 Applicateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, du type comportant un système de refroidissement par eau placé entre le corps humain et la couche diélectrique, caractérisé en ce qu'une cavité ( 17) remplie d'eau du système de refroidissement par eau est placée directement au-dessus de l'électrode-écran ( 4) et ses dimensions coïncident avec les dimensions de l'électrode-écran ( 4).