СВЧ-устройство для деструкции патологически изменённых тканей организма
MICROWAVE DEVICE FOR DESTRUCTION OF PATHOLOGICALLY CHANGED BODY TISSUES

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано в медицине для разрушения патологически измененных тканей тела человека в виде новообразований и других патологий, преимущественно глубокого залегания.
Известны различные устройства для СВЧ-воздействия, в состав которых входят медицинские микроволновые излучатели, антенные зонды, насадки и другие необходимые узлы в виде генератора, согласующих элементов, разъемов, волноводов и т.д. (см., например, авторские свидетельства на изобретения SU №1607827, №1819635, патенты RU на изобретения №2015699, 2086270).
Известно также устройство для осуществления способа микроволновой диатермокоагуляции биотканей, работающее в СВЧ-диапазоне на частоте 2,4 ГГц (см. патент RU на изобретение №2318465), содержащее подключенный к микроволновому генератору излучатель. Последний выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, образующего рабочую часть и включающего внешний и выступающий внутренний проводники с изоляцией между ними. На конце внутреннего проводника прикреплен основанием металлический наконечник, выполненный в виде полусферы. Излучатель установлен с зазором в радиопрозрачном катетере. Рабочая часть покрыта слоем диэлектрика с толщиной, равной толщине внешнего проводника коаксиальной линии.
Однако для обеспечения работы данного устройства необходимо введение в патологические ткани 20-25% раствора NaCl объемом, равным объему разрушаемой ткани. Процесс наполнения раствором патологической ткани может привести к проникновению ее в непораженные ткани. Работа устройства без использования раствора может привести к пробою с неконтролируемыми высокотемпературными процессами. Нагрев патологической ткани происходит через нагрев раствора путем постепенного распространения тепла в растворе - процесс термического воздействия на разрушаемую ткань сложно контролируем.
Известен коаксиальный излучатель для микроволновой терапии биологических тканей (см. патент РФ на полезную модель №122581, МПК A61N 5/02, опубл. 10.12.12).
Коаксиальный излучатель выполнен в виде регулярного отрезка коаксиальной линии, состоящего из внутреннего и внешнего проводника, а также диэлектрического заполнения между ними, помещенных в плотно прилегающий диэлектрический катетер, индуктивный стержень, расположенный с торца отрезка коаксиальной линии в продолжение внутреннего проводника коаксиальной линии, выполненный диаметром меньше диаметра внутреннего проводника коаксиальной линии и помещенный в конус из диэлектрического материала, соединенный с отрезком коаксиальной линии, посредством диэлектрической шайбы, при этом во внешнем проводнике коаксиальной линии выполнены по крайне мере две азимутальные щели.
Известно устройство для электромагнитной терапии (патент RU на изобретение №2209096), содержащее антенный узел, радиометрический приемник, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен со входом СВЧ-генератора, генератор прямоугольных импульсов, индикатор и детекторный узел. Антенный узел выполнен в виде монополь-вибратора, представляющего собой миниатюрный излучатель СВЧ-диапазона, смонтированный на иглодержателе, в котором закреплена пункционная игла с центральным проводником, проходящим через согласующую муфту. Антенный узел соединен через согласователь, связанный с выходом первичной линии рефлектометра и СВЧ-усилителем, с СВЧ-генератором. К выходам плеч вторичной линии рефлектометра подключены детекторные секции детекторного узла, связанные выходами через аналоговый делитель с контроллером. Последний подключен восьмиразрядной шиной к согласователю и включает генератор прямоугольных импульсов. Импульсы подведены на вход широтно-импульсного модулятора и вход радиометрического приемника. Выход радиометрического приемника связан с входом радио термометра с возможностью передачи сигналов на контроллер и индикатор скорости изменения температуры. Клавиатура подсоединена к управляющему входу СВЧ-генератора.
Однако в данном устройстве диаметр диэлектрического согласующего перехода в виде согласующей муфты значительно превышает диаметр монополь-вибраторной антенны, что затрудняет ввод и вывод устройства из патологической ткани. Кроме того, возможен ожог обрабатываемой ткани по причине несовершенства контроля температуры внутри обрабатываемой области, так, как и воздействие и контроль за ним осуществлены в одном СВЧ-диапазоне, хотя и на разных частотах.
Известно электрохирургическое устройство для направления энергии на целевой объем ткани, которое содержит коаксиальную линию, имеющую внутренний проводник, внешний проводник, коаксиально расположенный вокруг внутреннего проводника и диэлектрический материал, расположенный между ними. Удлиненный электропроводящий элемент расположен продольно на дистальном конце внутреннего проводника. Балунная структура расположена на внешнем проводнике. Часть внутреннего проводника и диэлектрического материала коаксиальной линии простирается за внешний проводник на дистальном конце коаксиальной линии подачи. Электропроводящий элемент электрически соединен с внутренним проводником. Электрохирургическое устройство дополнительно содержит электромагнитное окно, выполненное с возможностью формирования диаграмму направленного излучения при работе (см. заявку на изобретение AU2010206119).
Представленная в описании конструкция пункционной антенны с СВЧ излучателем щелевого типа имеет несколько существенных недостатков. Важнейшим из них является значительное усложнение конструкции СВЧ излучателя, препятствующее уменьшению внешнего диаметра пункционной антенны, что необходимо для решения задач в микрохирургии. Краткий перечень элементов этой громоздкой конструкции следующий: на дистальном конце внутреннего проводника подключена структура, коаксиально расположенная на внешнем проводнике; причем она включает электропроводящий цилиндр коаксиально расположенный вокруг дистальной части и диэлектрическую структуру, расположенную, рядом с дистальным концом электропроводящего цилиндра, а диэлектрическая структура продольно проходит от дистального конца электропроводящего цилиндра до дистального конца электропроводящего элемента.
Наиболее близким к предлагаемому решению является СВЧ-устройство для деструкции новообразований и патологически измененных тканей организма(см. патент РФ №2411019, МПК A61B 18/18, опубл. 10.02.2011). Устройство выполнено в виде троакара из металлической трубки с мандреном и СВЧ-волноводом, выполненными протяженными коаксиально внутри и вдоль металлической трубки с возможностью поочередного введения и выведения их из нее. На дистальной стороне СВЧ-волновода размещены диэлектрический согласующий переход из материала с плавно увеличивающейся величиной диэлектрической проницаемости от 2 до 7 единиц и монополь-вибраторная антенна. Она имеет с дистального края участок стакан-образной формы, обращенный днищем наружу от дистального конца СВЧ-волновода, а открытой частью - к проксимальному концу. На проксимальном конце СВЧ-волновода размещен согласующий управляемый модуль с коаксиально-полосковыми переходами, подключенный к СВЧ-генератору. Подключение осуществлено через фидер, имеющий с двух сторон СВЧ-разъемы, соответствующие ответным частям СВЧ-разъемов согласующего управляемого модуля и СВЧ-генератора. Фидер, СВЧ-волновод, диэлектрический согласующий переход и монополь-вибраторная антенна полностью заполнены СВЧ-диэлектриком. Стенки и днище монополь-вибраторной антенны выполнены металлическими; днище имеет форму эллипсоида.
Недостатками данного устройства являются: дорогостоящая технология реализации контура слежения за температурой в окрестности СВЧ-излучателя и отсутствие возможностей изменения его диаграммы направленности.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является разработка устройства для деструкции новообразований, позволяющее осуществлять контролируемый нагрев в заданном секторе тела пациента и исключить возможность внутритканевого ожога здоровых тканей, преимущественно при облучении новообразований вблизи спинномозгового канала позвоночника.
Технический результат данного изобретения заключается в формировании секторной диаграммы направленности при исключении СВЧ пробоя.
Заявленный результат достигается тем, что СВЧ-устройство для деструкции патологически измененных тканей организма, выполненное в виде троакара из металлической трубки с СВЧ коаксиальным волноводом, расположенным внутри трубки троакара с возможностью введения и выведения из трубки, содержащем внешнюю оболочку из медицинской стали, заполненный фторопластом, и центральным проводником, расположенным вдоль оси волновода, включающее на проксимальном конце волновода электрически управляемое согласующее устройство и СВЧ разъем для подключения к СВЧ генератору, согласно изобретению, дополнительно содержит регулятор мощности в виде контроллера, подключенный к центральному проводнику через развязку от СВЧ сигнала, дистальный конец волновода снабжен отражающим наконечником из медицинской стали конусообразной формы с острым углом при вершине с полостью внутри, внутренние стенки которой покрыты СВЧ диэлектриком, внутри полости расположено продолжение центрального проводника, торец которого приварен точечной сваркой к телу наконечника, формируя термопару, на дистальном конце расположен щелевой излучатель с углом раскрытия от 45° до 90° для формирования секторной диаграммы направленности, на внешней стороне волновода введена скользящая обойма из фольги для изменения параметров излучателя, с длиной не менее длины щели.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлено схематичное изображение СВЧ-устройства в целом; фиг. 2 представляет конструкцию пункционной коаксиально-волноводной антенны со щелевым излучателем и диаграмму направленности излучения вдоль щели; на фиг.3 - сечение коаксиального волновода по середине щелевого излучателя и его диаграмма направленности излучения в плоскости сечения; на фиг.4 - диаграмма направленности щелевого излучателя на частоте 2.45 ГГц, полученная авторами заявки с помощью трехмерной численной модели на методе конечных элементов.
На чертежах позициями приняты следующие обозначения:
1 - цилиндрическая полость в теле отражателя;
2 - область сварки центрального проводника с телом отражателя;
3 - коаксиальный СВЧ разъем;
4 - трубка троакара с рукояткой;
5 - фторопластовая оболочка;
6 - гребешок на центральном проводнике в области щели;
7 - щелевая антенна;
8 - центральный проводник коаксиальной линии;
9 - фторопластовая оболочка;
10 - трубка из медицинской стали;
11 - скользящая обойма;
12 - отражатель;
13 - фидер;
14 - коаксиально-полосковый переход;
15 - направленный ответвитель с детекторными секциями и электрически управляемый согласующий модуль на полосковых линиях;
16 - СВЧ генератор с электрически управляемой мощностью;
17 - фильтр и ключ постоянного тока с формирователем управляющих импульсов;
18 - адаптер сигналов управления выходной мощностью генератора;
19 - усилитель постоянного тока (УПТ);
20 - опорный генератор и широтно-импульсный модулятор;
21 - микроконтроллер;
22 - индикатор температуры;
23 - диаграмма направленности щелевого излучателя;
24 - экранирующая оболочка коаксиального волновода.
СВЧ-устройство для деструкции патологически измененных тканей организма выполнено из ряда узлов и модулей, представленных на Фиг. 1-3. На Фиг. 4 Важнейшим функциональным элементом устройства является коаксиально щелевая пункционная СВЧ антенна, герметизированная фторопластовым чехлом 5, выполненная протяженно коаксиально внутри и вдоль металлической трубки троакара 4 с возможностью поочередного введения и выведения ее из трубки; коаксиальный СВЧ-волновод проксимальным концом обращен к СВЧ коаксиальному разъему 3 соединенному с фидером, при этом СВЧ-волновод, состоящий из центрального проводника 8 коаксиальной линии, фторопластового заполнения 9, помещенных в трубку 10 из медицинской стали выполнен с возможностью пропускания мощности СВЧ-излучения до 50 Вт; его внешний диаметр составляет порядка 1,5-2,5 мм. На дистальной стороне СВЧ-волновода размещены щелевая антенна, состоящая из двугорбой пластины в виде металлического гребешка 6 на центральном проводнике в области щели 7 и конусообразного отражателя 12 из медицинской стали. Гребешок направляет основную часть СВЧ излучение вглубь биоткани аналогично монополь вибратору. В цилиндрическую полость в теле отражателя 1 вставлен до упора центральный проводник коаксиальной линии 8 и точечной сваркой закреплен к донышку 2, причем внутренняя цилиндрическая поверхность имеет СВЧ диэлектрическое покрытие. Протяженность щелевой антенны 7 составляет от L ≈ 3λε/2 до L ≈ 5λε/8, где λε - длина волны СВЧ-излучения в биологической ткани новообразования. Для настройки на рабочую частоту служит скользящая обойма 11 из медицинской стали.
На проксимальном конце фидера 13 размещен СВЧ разъем 3 подключенный к выходу коаксиально-полоскового перехода 14 соединенного с выходом направленного ответвителя с детекторными секциями в составе электрически управляемого согласующего модуля на полосковых линиях и имеющего на входе коаксиально-полосковый переход 14. Переход 14 соединен с выходом СВЧ генератора 16, управляемого по мощности, на вход которого подключен адаптер 18 сигналов управления выходной мощностью генератора, а его вход соединен с выходом широтно-импульсного модулятора модуля 20 и подключенного по входу к управляющему выходу А микроконтроллера 21. Выход опорного генератора модуля 20 соединен со входом В микроконтроллера. Основной полосковый канал передачи модуля 15 через дроссель присоединен к модулю фильтра и ключа постоянного тока с формирователем управляющих импульсов17. С его выхода температурнозависимый ток поступает на вход усилителя постоянного тока 19 выход которого присоединен ко входу Т микроконтроллера 21, а с его выхода цифровой код температуры поступает на вход индикатора температуры.
Заявляемое устройство имеет набор из трех коаксиально щелевых пункционных СВЧ антенн, показанных на Фиг.2 и работающих на разрешенных частотах в медицине 0,915 ГГц; 2,45 ГГц и 24,1 ГГц. Имеется возможность подбора конкретной пункционной щелевой СВЧ антенны под различные виды патологии с подстройкой протяженности участка щелевого излучателя.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для эффективного использования, заявляемого СВЧ-устройства в хирургическом воздействии до операции, осуществляют тест-контроль готовности оборудования. Для чего вынимают из стерильной упаковки пункционную щелевую СВЧ антенну с требуемой рабочей частотой. Подключают ее к модулю 15 (направленному ответвителю с детекторными секциями и электрически управляемым согласующим модулем на полосковых линиях) посредством фидера 13 и коаксиально полоскового перехода 14 с СВЧ разъемами 3. Помещают пункционную щелевую СВЧ антенну Фиг.2 в стерильную пробирку с физраствором или водой для инъекций и включают СВЧ-генератор 16 через панель управления П микроконтроллера 21 на заданное время обработки патологической ткани. С помощью термодатчика 2 по индикатору 22 контролируют температуру нагрева воды в пробирке. При условии получения величин температур, соответствующих планируемым в процессе предстоящей обработки патологической ткани (и полученных ранее расчетным и отработанных эмпирическим путем), считают работу аппаратуры, подготовленной для предстоящей лечебной хирургической манипуляции. Этот тест-контроль занимает 2-3 минуты времени.
Размещают пациента на операционном столе в положении наиболее удобном для проведения планируемых хирургических манипуляций. Определяют при помощи УЗИ, рентгена или компьютерного томографа точную локализацию, размер и форму патологической ткани, проверяют ранее полученные данные. С учетом всей полученной информации выбирают наиболее безопасное место планируемого прокола и введения троакара 4 содержащего пункционную щелевую СВЧ антенну Фиг. 2.
Затем приступают к хирургической манипуляции - деструкции новообразования или обработки патологической ткани. Для этого осуществляют под местной анестезией под контролем рентгеновской или УЗИ аппаратуры осторожное введение троакара 4 в центральную или граничную область новообразования или патологической ткани. Контролируют нужное положение щелевого излучателя 7, по визуализации гребешка 6 совпадающего с осью секторной диаграммы направленности излучения, выходящего из щели. Приступают к процедуре деструкции новообразования или патологически измененной ткани, обеспечивая их СВЧ-обработку в заявленных режимах: температурных пределах 44-48°С, при мощности излучения до 50 Вт, на разрешенных в медицине рабочих частотах 0,915 ГГц; 2,45 ГГц и 24,1 ГГц, в пределах длительности воздействия порядка 3-120 секунд. В процессе всей процедуры обработки патологии контролируют точность локализации излучателя с помощью средств визуализации - рентгена, компьютерной томографии, МРТ томографии, ультразвуковой аппаратуры. Одновременно контролируют и температурную динамику облучаемой ткани термопарой 2, причем с самого начала процесса обработки до конца и не допускают ее выхода за пределы установленного температурного режима. При обработке патологически измененных мягких тканей обеспечивают более низкие температурные порядка 44-46°С, не допуская более высоких температур обработки в отличие от температур, используемых для обработки костных и хрящевых тканей.
Для анализа электромагнитного поля в ближней зоне антенного излучателя была построена трехмерная численная модель коаксиального излучателя с продольной щелью и прилегающим объемом биоткани с заданными размерами и электрофизическим свойствами конструкционных материалов антенны и диэлектрическим параметрами биоткани для частотного диапазона 1…10 ГГц. Модель базировалась на однородном уравнении Гельмгольца с граничными условиями Неймана и Дирихле на металлических элементах конструкции антенны, условием непрерывности тангенциальных компонент поля на границе раздела сред и условием рассеяния электромагнитных волн на удалении от антенны. Для решения краевой задачи электродинамики применялся метод конечных элементов с тетраэдрическими функциями формы Уитни первого порядка. Результаты численного анализа полностью подтвердили возможность формирования зон нагрева биоткани, как показано на Фиг. 4.
Пример.
СВЧ-устройство апробировано на больных животных, а также на пораженных послеоперационных тканях человека. Параметры СВЧ-воздействия предлагаемого устройства (температура, время, мощность) на опухолевую ткань были экспериментально определены in vitro. Для этого были использованы блоки опухолевых тканей, которые доставляли из операционной в течение первых двух часов после их удаления из тела пациента (злокачественные и доброкачественные опухоли внутренних органов, костно-мышечной и жировых тканей). Эффективность и безопасность отрабатывались экспериментально in vivo на животных (кроликах, крысах). Объемы деструктивного СВЧ-воздействия на ткани определялись после усыпления животных, а зона температурного воздействия контролировалась в ходе операции ИК-термографами с оптоволоконными сенсорами непосредственно в зоне патологической ткани и в расположенных непораженных тканях.
Полученные результаты исследований показали, что при помощи заявляемого устройства при СВЧ-воздействии щелевым излучателем достигается деструкция патологически измененных тканей в области секторной диаграммы излучения без воздействия на окружающие непораженные ткани.