СВЧ гипертермия в медицине: реализация и применение

УДК 621.372

М.А. Директоренко, А.А. Димитрюк, А.А. Директоренко СВЧ ГИПЕРТЕРМИЯ В МЕДИЦИНЕ: РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

В современной медицине широко используется эффект теплового воздействия электромагнитного излучения на биологические ткани. В статье рассмотрены некоторые теоретические аспекты и методы практического применения электромагнитного нагрева тканей в онкологии

СВЧ гипертермия, тепловая терапия, антенны, электромагнитные аппликаторы

M.A. Directorenko, A.A. Dimitruyk, A.A. Directorenko MICROWAVE HYPERTHERMIA IN MEDICINE: REALIZATION AND APPLICATION

In contemporary medicine the microwave hyperthermia is widely applied. Theoretical aspects and methods of electromagnetic thermal treatment in oncology are considered.

Microwave hyperthermia, thermal therapy, antennas, electromagnetic applicators Введение

Эффект взаимодействия электромагнитных полей с материалами, сопровождавшийся выделением тепла и нагревом обрабатываемого материала, был обнаружен почти столетие назад и с тех пор нашел широкое применение в промышленных и бытовых СВЧ установках различного назначения.

Практически одновременно начались исследования в области применения электромагнитной энергии различных частот для тепловой обработки живых тканей в биологии и в медицине [1, 2].

Было установлено, что применение электромагнитных излучающих систем в биологических и медицинских исследованиях затрудняется высокой степенью сложности и многоуровневой организацией живых организмов, а также широким диапазоном диэлектрических свойств биологических тканей. Это существенно замедляет процесс изучения биологического влияния электромагнитного поля. Знание механизма взаимодействия может быть использовано для определения соотношений доз облучения, изучения ответной реакции биологической ткани, планирования новых экспериментов и установления вероятности вредного воздействия при различных параметрах облучения. Наиболее перспективным применением СВЧ терапии в настоящее время представляется лечение онкологических заболеваний [3-5].

Двумя наиболее важными при воздействии на биологическую ткань характеристиками являются частота и мощность электромагнитного поля [2, 6, 7]. Крайне низкие частоты могут вызвать генерацию электрического тока в теле человека, в то время как радиочастотное излучение может привести к нагреву тела. Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения электромагнитной энергии и тем больше эффект поверхностного нагрева.

Задача создания современных эффективных и безопасных устройств для электромагнитной терапии и научных исследований биологических объектов предполагает параллельное решение двух задач - собственно электродинамической задачи конструирования излучающих электромагнитную энергию систем [6, 8, 9] и связанной биотепловой задачи, определяющей границы безопасного применения излучающей установки или излучающего локального аппликатора.

Биологический эффект от воздействия электромагнитного излучения определенной частоты и мощности заключается в наблюдаемых физиологических изменениях живой системы. Такой эффект иногда может оказать вредное воздействие [10, 12], которое заключается в превышении допустимых значений физиологического изменения в течение краткого промежутка времени. Это происходит в случае, когда биологический эффект превышает рамки, в которых тело человека может его компенсировать, что приводит к ухудшению здоровья. Воздействие на здоровье часто является результатом длительного облучения и зависит от времени и дозы облучений. Именно поэтому знание о воздействии электромагнитного поля на биологические ткани так важно для оценки возможной угрозы здоровью человека.

Электромагнитная гипертермия в онкологии

В настоящее время в онкологической практике все большее признание получает использование электромагнитных волн в диапазоне 40...2450 МГц [1, 2, 10]. Излучение на данных частотах эффективно применяется для гипертермии и деструкции. В зависимости от свойств биоткани и частоты воздействующего электромагнитного поля волны могут проходить сквозь ткань, в различной степени отражаясь или поглощаясь. Облучение может оказать как терапевтический эффект, что применяется в качестве физиотерапевтических процедур, так и вызвать поражение тканей вплоть до некроза, что применяется в онкологии для разрушения злокачественных новообразований.

Таблица 1

Воздействие температуры на биологические ткани

Диапазон температуры,°С Время воздействия Физические эффекты Биологические эффекты

< -50 >10 мин Замерзание Полное клеточное разрушение

0-25 >10 мин Проницаемость уменьшена Снижена циркуляция крови, снижен клеточный метаболизм

30-39 Не ограничено Нет изменений Усиление биоэффектов

40-46 30-60 мин Изменения в оптических свойствах ткани Усилена циркуляция крови

47-50 > 10 мин. Некроз, коагуляция Распад белка

> 50 После 2 мин Некроз, коагуляция Г ибель клеток

60-140 < 1 мин Коагуляция, разрушение Распад белка, разрыв мембраны, сжатие клетки

100-300 < 1 мин Испарение Сжатие клетки, внеклеточная паровая вакуоль

> 300 < 1 с Карбонизация, возникновение дыма Карбонизация

В последние 20-25 лет бурно развивается гипертермическая онкология, основанная на применении высокой температуры для повышения эффективности комплексной или комбинированной терапии больных [1, 3, 10, 11]. В онкологии под термином «локально-региональная радиочастотная гипертермия» понимают нагревание опухолей до температуры 38-45°С в течение 15-60 мин ЭМП с диаметром зоны облучения 10-35 см [1, 4, 10, 12]. Влияние локальной радиочастотной гипертермии вызывает деструкцию большого числа клеток опухоли. Задача локальной гипертермии состоит в нагреве до определенной температуры злокачественных новообразований при минимальном нагреве окружающих здоровых тканей. Именно этот методический подход (особенно при условии создания ЭМП локально-региональной гипертермии в опухолях), несмотря на определенные противопоказания, нашел применение в современной онкологической клинике. В таблице приведены примеры воздействия различных температур на биологические ткани [4].

Локальная гипертермия как способ повышения эффективности лечения опухолей в последние 20 лет стала общепризнанным и довольно широко распространенным адьювантным методом химио-и/или лучевого лечения резистентных форм новообразований [1, 10, 12]. Несмотря на расхождение в режимах и методиках использования гипертермии и лучевой терапии, применение гипертермии позволяет повысить эффективность лечения опухолей в 1,5-2 раза. В этой связи некоторые специалисты в области гипертермии предлагают рассматривать ее в качестве четвертого метода лечения опухолей (наряду с хирургическим, лучевым и химиотерапевтическим). Вместе с тем самостоятельное использование гипертермии в лечении рака пока еще весьма ограничено, но в сочетании с другими видами терапии, особенно с лучевым методом, существенно повышает частоту местного излечения от опухоли, особенно при резистентных и местно-распространенных формах новообразований. В [12] приведены результаты клинических исследований с участием людей, больных различными видами рака. Из 15 пациентов с неоперабельными опухолями, подвергнутых химиорадиотерапии, двое были освобождены от влияния болезни на 1 и 9 лет соответственно. Несомненно, эти результаты гарантируют дальнейшее проведение клинических исследований.

Связанная биотепловая задача в гипертермии

Классическая система уравнений Максвелла описывает почти все существующие электромагнитные эффекты [5]. Уравнения Максвелла могут быть преобразованы в неоднородное уравнение Гельмгольца, которое с учетом влияния электрической составляющей на нагрев тканей будет иметь вид [6]:

V2E + к02ё£ = jюц0 Jen,

Температурное распределение и тепловое поведение тканей определяется биотепловым уравнением [5]:

р.с. d'L = V-(kVT) + c-|VV|2-PbQfflT-ramb) + Qm,

dt

где р является плотностью ткани, с является теплоемкостью крови, к - теплопроводность, о-| VV |2 является электрическим поглощением, рь является плотностью крови, Cb является теплоемкостью крови, ю является перфузией крови, Tamb является окружающей температурой и Qm являются метаболическим источником тепла.

Эта модель показывает, что уровень увеличения температуры в точке равен теплопередаче тепловой проводимостью, поглощению электромагнитной или акустической плотности питания, теплоотдаче перфузией крови и метаболическому нагреванию. Метаболическое нагревание часто является малым по сравнению с другими параметрами в уравнении, и поэтому им часто пренебрегают.

Исключив перфузию и метаболическое тепло, задав форму электрода (например, сферическую, цилиндрическую, плоскую), излучающего электромагнитную энергию, можно получить установившееся биотепловое дифференциальное уравнение для радиочастотного аппликатора в однородном материале с заданным видом излучателя (антенны, аппликатора).

Решение этого уравнения позволяет определить распределение температурного поля по обрабатываемому объекту, место расположения максимума температуры.

Расположение максимума определяется величиной плотности стороннего тока, теплопроводностью и, электропроводностью материала, граничными условиями.

Современные микроволновые аппликаторы

Для высокочастотного нагрева в медицине используются различные гипертермические установки и аппликаторы, представляющие собой как отдельные излучатели, так и антенные устройства [1, 2]. Разнообразие используемых для этих целей излучателей (волноводных, рупорных, микропо-лосковых, вибраторных и т.д.), а также создание новых конструкций обусловливает постоянный интерес исследователей к проблемам их анализа и синтеза [1, 8].

104

Гипертермические установки можно разделить по размеру области воздействия радиочастотного излучения: установки для общей гипертермии (воздействие на все тело), для региональной гипертермии (воздействие на часть тела или отдельный орган) и для локальной гипертермии (локализованное воздействие на опухоль) [2, 9]. Гипертермические установки также можно разделить по частоте воздействующего электромагнитного поля на аппараты для прогрева поверхностных опухолей и аппараты для прогрева внутриполостных опухолей [2, 9].

В зависимости от способа реализации гипертермии электромагнитные аппликаторы можно разделить на наружные и имплантируемые. При проведении гипертермии в тканях на глубине, не превышающей нескольких сантиметров, используют наружные аппликаторы, а при воздействии на глубоко залегающие ткани используют имплантируемые аппликаторы [2]. На данный момент разработаны установки, которые с помощью аппликаторов различного размера и способа реализации могут быть использованы для целей общей, региональной и локальной гипертермии.

Метод гипертермии используется уже более чем в 150 клиниках 30 стран мира и официально признан органами здравоохранения и страховыми компаниями Германии, США, Голландии, Японии, Италии, Украины, Республики Беларусь [2].

Промышленные аппараты для гипертермии работают на следующих частотах: 13,56; 27; 40,68; 433; 915 и 2,45 ГГц. Все эти частоты разрешены для использования в медицине. Приблизительные диэлектрические параметры и глубины проникновения в ткань мускулов приведены в табл. 2 [7]. При проведении измерений использовалась подобная биологической искусственная ткань.

Таблица 2

Приблизительные диэлектрические параметры для мускульной ткани на различных частотах

Частота, MHz Относительная и электрическая постоянная, гг Проводимость о, S/m Глубина проникновения 8, cm

0.1 1850 0.56 213

1.0 411 0.59 70

10 131 0.68 13.2

100 79 0.81 7.7

1000 60 1.33 3.4

10,000 42 13.3 0.27

100,000 8 60 0.03

Для нагрева поверхностных опухолей используются установки, работающие в СВЧ диапазоне электромагнитных волн: «Яхта-3», «Яхта-4», ALBA (Италия), BSD-500 (США), HTS-100 (Япония), и др. Для радиочастотной гипертермии внутриполостных органов применяются: «THERMOTRON RF-8» (Япония, фирма Yamamoto VINITA) и BSD-2000 (США, фирма BSD Medical Corp.) Для общего электромагнитного нагрева всего тела используется «Яхта-5».

Существенное значение для последующих терапевтических эффектов в опухолевой ткани имеют характер модуляции, пространственная форма и диаграмма направленности ЭМП [3]. Поэтому для поисков оптимальных режимов облучения был предложен и реализован ряд идей. Так, в медицинских радио частотных гипертермических аппаратах Oncocare (Франция), Thermotron RF-8 (Япония), Супертерм ЭП-40 (Россия), EHY-2000 (Венгрия) и др., разработанных в конце прошлого столетия, стремились применять квазиравномерный высокочастотный электромагнитный нагрев электрическим компонентом ЭМП злокачественных опухолей конденсаторными электродами с различной формой выходного сигнала - прямоугольной, треугольной, трапецеидальной и др., модулированных низкочастотными сигналами. В аппарате BSD-2000 (США) используется острая диаграмма направленности электрического компонента ЭМП в центр опухоли, сформированная 24 дипольными излучателями в диапазоне частот 70-150 МГц. Разработан и проходит клинические испытания аппарат EHY-3010ML (Венгрия) с фрактальной модуляцией выходного сигнала при дискретном облучении злокачественных опухолей. Для лечения злокачественных процессов применяется и низкочастотное равномерное вихревое (вращающееся) магнитное поле частотой 50-150 Гц, инициируемое аппаратом Магнитотурботрон (Россия). Имеются сообщения об использовании для лечения онкологических заболеваний вихревого магнитного поля в диапазоне радиочастот от 1 кГц до 10 МГц на аппарате Sytotron (Индия).

Заключение

Активно развивается применение микроволновой гипертермии в медицине. Известно, что применение ЭМ гипертермии позволяет не только разрушать клетки злокачественных опухолей, но и стимулировать заживление здоровых тканей. В совокупности с другими методами воздействия на новооб-

разования достигнуты положительные результаты в замедлении хода и даже лечении болезни. Проводится множество клинических исследований, идет разработка медицинских аппликаторов. Дальнейшие исследования в области электромагнитного влияния на биологические ткани весьма перспективны и могут поднять на новый уровень методы борьбы со злокачественными новообразованиями. Вместе с тем результаты исследований в сфере медицины могут стать основой ведения разработок в области промышленного микроволнового нагрева. На частотах в 10 ГГц глубина проникновения ЭМП составляет 0,2-0,3 см [14], что применимо для поверхностной термической обработки материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Habash Riadh W.Y. Bioeffects and therapeutic applications of electromagnetic energy I Riadh Habash II ISBN 978-1-4200-6284-7 (Hardcover), 2008.

2. Тадеева Ю.П. Эффект электромагнитной гипертермии радиочастотного диапазона I Ю.П. Тадеева, Ю.Н. Бондаренко, И.И. Ермакова II Электроника и связь 2. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». 2010. С. 186-191.

3. Орел В.Э. Радиочастотная терапия в онкологии I В.Э. Орел, И.И. Смоланка, И.И. Дзятковская II Журн. АМН України. 2009. Т. 15. № 2. С. 289-309.

4. Thermal therapy, part 1: An introduction to thermal therapy I Riadh W.Y. Habash, Rajeev Bansal, Daniel Krewski, Hafid T. Alhafid II Critical ReviewsTM in Biomedical Engineering. 2006. № 34 (6). С. 459-489.

5. Therapeutic applications of acoustic and electromagnetic energy I Vilhelm Ekstrand II Karolinska University Press, Box 200, SE-171 77 Stockholm, Sweden, 2005.

6. Новрузов И.И. Микроволновая гипертермия биологических тканей: физические аспекты и техническая реализация I И.И. Новрузов, В.В. Комаров II Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 346-353

7. Ермакова И.И. Моделирование поглощенной дозы электромагнитного излучения при гипертермии человека I И.И. Ермакова, Ю.П. Тадеева II Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники». Ч. 1. 2005. С. 110-112.

8. Дахов В.М. Компактный излучатель для СВЧ гипертермии I В.М. Дахов, В.А. Катрич, М.В. Нестеренко II 18th Int. Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’2008). ISBN 978-966-335-166-7. IEEE Catalog Number: CFP08788. 2008. Р. 860-861

9. Antennas and Other Electromagnetic Applicators in Biology and Medicine I Veepsa Bhatia II Department of Electronics & Communication Engineering, Bharati Vidyapeeth’s College of Engineering, India, 2005.

10. Hyperthermia induced by microwave diathermy in the management of muscle and tendon injuries I A. Giombini, V. Giovannini, A. Di Cesare, P. Pacetti, Noriko Ichinoseki-Sekinek, M. Shiraishi, Hisashi Naitok and Nicola Maffulli II British Medical Bulletin. 2007. № 83. Р. 379-396.

11. Design, Realization and Characterization of In Vitro Exposure Systems for the Remote Control of Nanomachines and Biological Processes by Electromagnetic Fields I Maria Lucia Calabrese II Anno Ac-cademico 2006-2007, Italy.

12. Falk M.H. Hyperthermia in oncology I M.H. Falk, R.D. Issels II Int. J. Hyperthermia. 2001. Vol 17. № 1. Р. 1-18.

Директоренко Максим Алексеевич - Maksim A. Direktorenko -

аспирант кафедры «Радиотехника» Postgraduate,

Саратовского государственного технического Department of Radio Engineering,

университета имени Гагарина Ю.А. Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Димитрюк Александр Александрович - Aleksandr A. Dimitryuk -

доктор технических наук, профессор Dr. Sc., Professor

кафедры «Радиотехника» Department of Radio Engineering,

Саратовского государственного технического Yu. Gagarin Saratov State Technical University

университета имени Гагарина Ю.А.

Директоренко Артем Алексеевич - Artem A. Direktorenko -

студент кафедры «Радиотехника» Undergraduate,

Саратовского государственного технического Department of Radio Engineering

университета имени Гагарина Ю.А. Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 19.10.11, принята к опубликованию 15.11.11