КОНТАКТНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ АППЛИКАТОР
CONTACT MICROWAVE APPLICATOR

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для лечения злокачественных опухолей человека и животных облучением электромагнитным полем сверхвысокой частоты. Заявляемый контактный микроволновый аппликатор относится к группе неинвазивных аппликаторов для локальной гипертермии биологической ткани.
Лечение онкологических заболеваний является довольно сложной задачей. Основными методами являются хирургия и химиотерапия, однако за последние 25 лет широкое распространение получили различные методы гипертермии раковых заболеваний. Гипертермия, с одной стороны, существенно увеличивает чувствительность раковых клеток к ионизирующему облучению и ряду противоопухолевых лекарственных средств, а с дугой - при температурах выше 43°С происходит и собственно тепловое необратимое повреждение раковых клеток (Чиссов В.И., Рос. онкол. журнал. 1999. №4. С.50-54). Использование для гипертермии энергии СВЧ-нагрева позволяет целенаправленно повышать температуру любой точки человеческого тела не только на его поверхности, но и внутри ткани. Клинические результаты показывают, что успешное применение СВЧ гипертермии позволяет улучшить результаты лечения раковых заболеваний (Current Status and Perspectives of Hyperthermia in Cancer Therapy Masahiro Hiraoka, Yasushi Nagata, Portable Synchrotron Light Sources and Advanced applications, American Institute of Physics, 2004). Основным преимуществом метода СВЧ гипертермии, с применением контактных аппликаторов является отказ от хирургического вмешательства.
Современная установка для СВЧ гипертермии представляют собой целый комплекс систем, в том числе аппликаторов для подведения ЭМ излучения к пораженной ткани. Применяются различные СВЧ аппликаторы: цилиндрические (А.С. №1223923), микрополосковые (Пат. РФ №2324509), прямоугольные (Pat. US 4282887), рупорные (Pat. US 4690156).
Известен излучатель СВЧ-энергии для нагрева тканей тела человека (Пат. РФ №2324509), включающий четвертьволновый резонатор на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, состоящий из диэлектрической подложки, экранного проводника, излучающего проводника и входного коаксиального разъема. Использование микрополосковых линий позволило снизить размеры аппликатора до 160 мм.
Главными недостатками такого устройства являются ограничение подводимой мощности и недостаточная равномерность распределения плотности мощности ЭМП в биологической ткани.
Известен аппликатор для локальной гипертермии (Pat. US 7769468), размеры которого составляют 100×130 мм. Данный аппликатор, представляет собой визуально-прозрачный блок, включающий, по крайней мере, одну согласованную, спиральную антенну, расположенную параллельно области биологической ткани. Спиральные антенны, используемые в такой системе, существенно снижают размеры устройства.
Недостатком такого аппликатора является недостаточная равномерность нагрева биологической ткани.
Также известен излучатель для аппарата микроволновой терапии (А.С. №1223923), содержащий цилиндрический волновод, возбудитель и коаксиальную линию, при этом возбудитель выполнен в виде изогнутого по окружности вибратора с длиной плеч, в несколько раз превышающей радиус изгиба. Выбор такой конструкции обусловлен тем, что стандартные цилиндрические волноводы на частоте 915 МГц обладают большими размерами и низкой энергетической эффективностью.
Главными недостатком такого устройства являются его большие размеры и недостаточная равномерность нагрева биологической ткани.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является квадрупольный аппликатор (Kantor G. The performance of a new 915-MHz direct contact applicator with reduced leakage, Int. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1983. 18(2). P.133-142), представляющий собой модификацию цилиндрического аппликатора, основными особенностями которого является наличие двух пар ортогональных внутренних ребер и внешней заслонки, для уменьшения отраженной энергии. Апертура такого устройства составляет 150 мм. Необходимые для гипертермии значения удельного коэффициента поглощения (SAR) в области мышечной ткани 235 Вт/кг и слое жировой ткани 10 мм достигается при уровне подводимой мощности СВЧ-излучения 85 Вт.
Главными недостатками данного аппликатора являются высокая подводимая мощность, большой диаметр апертуры и такое распределение теплового поля в области взаимодействия, при котором значительному нагреву подвержен верхний слой биологической ткани.
Задачей заявляемого изобретения является усовершенствование цилиндрического аппликатора для СВЧ гипертермии, в частности, снижение подводимой мощности и уменьшение его размеров, при улучшенных электродинамических параметрах устройства, достижение заданного распределения теплового поля, при котором максимум температуры формируется в центре опухоли и устраняется перегрев верхнего слоя биологической ткани.
Поставленная задача решается тем, что контактный микроволновый аппликатор, включающий цилиндрический волновод, короткозамкнутый на одном конце, при этом другой конец является излучающим, снабженный коаксиально-волноводым элементом возбуждения, согласно заявляемому техническому решению включает фокусирующий элемент, расположенный на излучающем конце цилиндрического волновода, по крайней мере, два Т-ребра, расположенные вдоль внутренней поверхности цилиндрического волновода, параллельных по широкой грани и образующих вдоль оси симметрии контактного микроволнового аппликатора емкостной зазор, коаксиально-волноводный элемент возбуждения, выполненный в виде внутреннего и внешнего проводников и введенный в узкую грань одного из ребер перпендикулярно широкой стенке Т-ребра, при этом его внутренний проводник проходит через весь емкостной зазор.
Изобретение поясняется чертежом: фиг.1 - конструкция контактного микроволнового аппликатора с прилегающей диссипативной средой. Позициями на чертеже обозначены: 1 - цилиндрический волновод, 2 - короткозамкнутый конец волновода, 3 - коаксиально-волновой элемент возбуждения, 4 - фокусирующий элемент, 5 - верхний слой биологической ткани, 6 - нижний слой биологической ткани.
а
L
L
Контактный микроволновый аппликатор содержит цилиндрический волновод 1 диаметром  и длинной L, короткозамкнутый на конце 2, с двумя Т-ребрами (Qiu D., Klymyshyn D.M., Pramanick P. Ridged waveguide structures with improved fundamental mode cutoff wavelength and bandwidth characteristics // International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Design. 2002. Vol.12. N2. P.190-197). Т-ребра выполнены длинной L, шириной t и высотой l и расположены на внутренней поверхности цилиндрического волновода 1 параллельно на равном расстоянии d друг от друга вдоль центральной оси симметрии аппликатора. Коаксиально-волновой элемент возбуждения 3 радиуса R выполнен из двух проводников: внешнего и внутреннего с диаметром 2r и u соответственно и введен в узкую грань одного из Т-ребер, шириной w, на расстоянии q от излучающего конца цилиндрического волновода 1 перпендикулярно оси симметрии аппликатора, таким образом, что его внутренний проводник проходит через весь емкостной зазор. Излучающий конец цилиндрического волновода 1 содержит фокусирующий элемент 4 диаметром а, выполненный в виде диэлектрической линзы радиусом R, высотой H.
Устройство работает следующим образом.
Излучающий конец цилиндрического волновода 1, снабженный фокусирующим элементом 4, располагают на поверхности верхнего слоя биологической ткани 5, таким образом, чтобы пораженная злокачественной опухолью область нижнего слоя биологической ткани 6 находилась вдоль центральной оси контактного микроволнового аппликатора. Через коаксиально-волноводный элемент возбуждения 3 в контактный микроволновый аппликатор вводят СВЧ энергию от генератора с рабочей частотой 915±10 МГц. Использование Т-ребер позволяет создать в устройстве емкостной зазор, тем самым сконцентрировать СВЧ энергию в центральной части апертуры аппликатора. Вывод энергии осуществляют через излучающий конец цилиндрического волновода 1, снабженный фокусирующим элементом 4, который позволяет сконцентрировать максимум плотности мощности электромагнитного поля на глубине 10-15 мм в биологической ткани. Перегрев верхнего слоя биологической ткани 5 устраняют путем введения между фокусирующим элементом 4 и поверхностью верхнего слоя биологической ткани 5 водяного болюса с постоянной температурой.
Введение в конструкцию фокусирующего элемента 4, выполненного в виде диэлектрической линзы, позволяет сконцентрировать максимум плотности мощности электромагнитного поля на глубине 10-15 мм в нижнем слое биологической ткани 6. Таким образом, устраняется паразитный нагрев верхнего слоя биологической ткани 5.
L
f
m
L
b
w
in
11
∗
Пример. Для определения оптимальных параметров устройства была построена трехмерная численная модель контактного микроволнового аппликатора с диэлектрической фокусирующей линзой (ε,) и прилегающей диссипативной средой, имитирующей верхний слой биологической ткани 5 и нижний слой биологической ткани 6, с заданными диэлектрическими параметрами, характерными для жировой ткани (ε=5,45) и мышечной ткани человека (ε=54,997) соответственно. Для фокусирующего элемента использовался диэлектрик с проницаемостью ε=16. Конструкция аппликатора также дополняется водяным болюсом, высотой h, заполненным водой с диэлектрической проницаемостью ε=78.8-4.5j. Для построенной численной модели аппликатора была решена несколькими математическими методами (МКЭ, МКР) связанная электродинамическая и тепловая задача. Результаты численного моделирования показали, что достижение необходимой для умеренной гипертермии температуры в 40°С достигается при значении подводимой мощности Р=80 Вт через 60 с. Размеры аппликатора были определены исходя из значений минимума коэффициента отраженной мощности при частоте подводимого СВЧ излучения 915 МГц, который составил для аппликатора с диэлектрической линзой и водяным болюсом S=0.3. Для данного аппликатора оптимальными размерами (мм) являются:
<i>а</i>
t
d
w
l
u
R
r
L
h<sub>b</sub>
R<sub>Л</sub>
H<sub>Л</sub>
h<sub>1Л</sub>
q
92
50
7
10
4
1.5
7
3.5
210
20
45
40
4
194
Таким образом, при использовании моделей мышечной и жировой ткани с размерами 40 и 10 мм соответственно и контактного микроволнового аппликатора с линзой и водяным болюсом, устранена проблема паразитного нагрева жировой ткани и поверхностных тканей. Диаметр представленного аппликатора составил 92 мм, а необходимое значение удельного коэффициента поглощения для гипертермии в области мышечной ткани, при слое жировой ткани 10 мм, было достигнуто при подводимой мощности в 80 Вт. Распределение плотности СВЧ-мощности показало большую равномерность, по сравнению с прототипом. Необходимые значения температуры для умеренной гипертермии в 40°С, достигалось 20 Вт - 180 с, 40 Вт - 120 с, 60 Вт - 90 с, 80 Вт - 60 с. При этом диаметр области взаимодействия с максимальной температурой в мышечной ткани не превышал 50 мм. Область мышечной ткани, находящаяся за пределами области воздействия аппликатора, подвергалась умеренному нагреву, который не превышал установленное безопасное значение в 4 Вт/кг для тела человека (по данным National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP) и Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)).
Представленный контактный микроволновый аппликатор с фокусирующей линзой может быть использован в установке для локальной гипертермии биологических тканей. Область применения устройства - небольшие злокачественные опухоли, расположенные на глубине до 2 см в биологической ткани (меланомы, саркомы, аденокарциомы). Возможно использование устройства для комплексных методов лечения раковых заболеваний.