КОАКСИАЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ТЕРАПИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Полезная модель относится к микроволновым устройствам медицинского назначения для проведения гипертермии или абляции злокачественных новообразований внутренних органов.
При СВЧ-гипертермии нагрев опухоли осуществляют электромагнитным (ЭМ) полем до температуры порядка 43°С, что приводит к резкому подавлению роста пораженных клеток. СВЧ-абляция направлена на увеличение температуры в зоне нагрева до 60÷90°С с целью полного разрушения опухолевой ткани вплоть до некроза [Макаров В.Н, Ющенко Г.В. Сравнительный анализ микроволнового и радиочастотного нагрева при тепловой абляции опухолей // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2009. №2. С.3-10.].
Для реализации подобных технологий применяются микроволновые аппликаторы двух основных типов: инвазивные и неинвазивные. Первые, как правило, представляют собой дипольные или монопольные коаксиальные антенны малого диаметра (порядка 1,5÷6 мм) проникающие внутрь тела человека на заданную глубину. Элемент излучения в виде азимутальной щели или аксиального металлического стержня располагают непосредственно внутри опухоли.
11
Известны конструкции коаксиальных излучателей, используемых для СВЧ-облучения внутренних биологических тканей. Например, известно описание интерстициальной однощелевой антенны с рабочей частотой 2,45 ГГц [Cavagnaro M., Amabile С., Bernard! P. et al. Design and realization of a new type of interstitial antenna for ablation therapies // Proceedings of the 39th European Microwave Conference, 2009, Rome, Italy, P.878-881.]. Конструкция аппликатрра представляет собой коаксиальный излучатель монопольного типа. В ее состав входит четвертьволновый дроссельный элемент, предназначенный для снижения коэффициента отражения, равного по величине S=-23,4 дБ. Недостатком такой конструкции является большой диаметр устройства, обусловленный наличием дросселя в излучающей части аппликатора.
Другой коаксиальный аппликатор аналогичного типа [Савви С.А., Силин А.О., Иванова Ю.В. Разработка излучателя и обоснование оптимальных режимов СВЧ-терапии в комплексном лечении послеожоговых стриктур пищевода // Украинский журнал хирургии. 2009. №4. С.121-124.] был предложен для облучения СВЧ-энергией рубцово-измененных тканей пищевода. Конструкция представляет собой радиочастотный коаксиальный кабель с фторопластовой изоляцией длиной около 1 м, на конце которого находится излучатель с четвертьволновым стаканом, образованным вывернутой на наружную изоляцию оплеткой кабеля и утолщенной выступающей частью центрального проводника. При этом диаметр излучателя с учетом желудочного зонда составляет 6 мм. Недостатками аппликатора являются: большие размеры, низкая скорость нагрева биологических тканей и ограниченная зона коагуляции.
В конструкции еще одного щелевого аппликатора, представляющего собой монопольную антенну с щелевыми излучающими элементами [Hardie D., Sangster A.J., Cronin N.J. Coupled field analysis of heat flow in the near field of a microwave applicator for tumor ablation // Electromagnetic Biology and Medicine. 2006. Vol.25. P.29-43.], использован керамический элемент цилиндрической формы высотой 16 мм, обеспечивающий необходимое распределение поля в области взаимодействия. Аппликатор стыкуется со стандартным отрезком коаксиальной линии, диаметром 5,6 мм. Рабочая частота устройства - 2,45 ГГц. Недостатком такой конструкции коаксиального аппликатора является необходимость позиционирования элемента излучения (щели) строго в центре опухоли, в то время как короткозамкнутый конец антенны может повредить здоровые ткани, граничащие с пораженными.
Известен аппликатор [US 7875024, IPC: A61B 18/18, А61В 18/00, Publ. date: Jan 25, 2011], представляющий собой излучатель, который является продолжением коаксиальной линии. В конструкцию введены дополнительные системы охлаждения, что увеличивает размеры устройства. Недостатками такого аппликатора являются большие размеры и небольшая зона излучения СВЧ энергии.
11
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухщелевой коаксиальный излучатель диаметром 3,44 мм, снабженный дроссельным элементом для минимизации отраженной мощности на частоте 2,45 ГГц [Bertram J.M., Yang D., Converse M.C., Webster J.G., Mahvi D.M. Antenna design for microwave hepatic ablation using an axisymmetric electromagnetic model // BioMedical Engineering Online. 2006. Vol.5. N 15. P.1-9.]. Данный аппликатор имеет коэффициент отражения не ниже S=-10,7 дБ и предназначен для абляции раковых опухолей печени. Конструкция аппликатора включает в себя отрезок коаксиальной линии с диаметром внешнего проводника 2,2 мм. и диаметром внутреннего проводника 0,51 мм. Пространство между внутренним и внешним проводником заполнено диэлектриком. Дроссельный элемент расположен вокруг внешнего проводника, на небольшом удалении от излучающего конца аппликатора. Вся конструкция аппликатора помещена в диэлектрический тефлоновый катетер, для предотвращения налипания биологической ткани. Недостатками такой конструкции являются сложность конструкции, вызванная необходимостью применения дроссельного элемента, и большой диаметр устройства.
11
Задачей полезной модели является создание изделия для микроволновой абляции более простой конструкции с меньшим диаметром, обеспечивающей уровень отраженной мощности не ниже S=-11 дБ.
Технический результат заключается в увеличении зоны коагуляции заданной формы.
Поставленная задача достигается тем, что в коаксиальном излучателе, выполненном в виде регулярного отрезка коаксиальной линии, состоящего из внутреннего и внешнего проводников, а также диэлектрического заполнения между ними, помещенного в плотно прилегающий диэлектрический катетер согласно заявляемому техническому решению дополнительно содержится 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.
Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют достичь поставленной задачи и получить технический эффект. Конструкция заявляемого аппликатора является более простой и компактной, чем у прототипа, так как в ней отсутствует дроссельный элемент. Диаметр заявляемого аппликатора вместе с акриловым катетером не превышает 2 мм, что в 1,7 раза меньше, чем у прототипа. При этом область взаимодействия формируется двумя щелями шириной 2,5 мм и индуктивным стержнем длиной 5 мм, а зона нагрева, в общей сложности, составляет порядка 25 мм вдоль горизонтальной оси и радиусом порядка 7,5 мм.
1
2
Полезная модель поясняется чертежом: фиг. - сечения коаксиального микроволнового аппликатора. Позициями на чертеже обозначены: 1 - открытый конец коаксиальной линии, 2 - внутренний проводник, 3 - внешний проводник, 4 - диэлектрическое заполнение, 5 - азимутальные щели, 6 - диэлектрическая шайба, 7 - индуктивный стержень, 8 - диэлектрический конус, 9 - диэлектрический катетер, Н - длинна отрезка коаксиальной линии, k - толщина внешнего проводника, m - толщина акрилового катетера, d - диаметр внутреннего проводника, D - диаметр внешнего проводника, d - диаметр индуктивного стержня, h - высота диэлектрического конуса, s - высота диэлектрической шайбы, p - ширина азимутальной щели, l - расстояние между азимутальными щелями, q - длинная индуктивного стержня.
1
2
1
Заявляемый коаксиальный излучатель состоит из регулярного отрезка коаксиальной линии, длинной Н, с открытым концом 1, включающего в себя внутренний проводник 2 диаметром d, внешний проводник 3 диаметром D и диэлектрическое заполнение 4, индуктивного стержня 7, длинной q, являющегося продолжением внутреннего проводника 2 коаксиальной линии, имеющего диаметр d<d и частично размещенного в диэлектрическом конусе 8, высотой h, а частично - в диэлектрической шайбе 6. Внешний проводник 3 имеет, по крайней мере, две азимутальные щели 5 шириной p, расположенные на расстоянии l друг от друга перпендикулярно оси симметрии аппликатора, на удалении u от диэлектрического цилиндра 6, высотой s. Образованный таким образом комбинированный монопольно-дипольный излучатель размещается внутри тонкостенного диэлектрического катетера 9, толщиной m.
Устройство работает следующим образом: коаксиальный излучатель помещают в биологическую ткань, таким образом, чтобы азимутальные щели 5 находились в очаге опухолевой ткани. Через открытый конец коаксиальной линии 1, находящейся на поверхности биоткани, осуществляют подвод СВЧ энергии от генератора с рабочей частотой 2450±10 МГц. В качестве материала для диэлектрического заполнения 4 и диэлектрической шайбы 6 используют тефлон (ε'=2,1), что позволяет снизить уровень отраженной мощности в устройстве. Вывод энергии осуществляют через излучающий конец, оснащенный диэлектрическим конусом 8, выполненным, например, из керамики титанат магния с диэлектрической проницаемостью ε'=16, и азимутальные щели 5. Применение азимутальных щелей 5 в сочетании с индуктивным стержнем 7 помогает увеличить зону коагуляции без введения дополнительных элементов конструкции. Использование диэлектрического катетера 9, изготовленного из акрила (ε'=2,1) помогает избежать прилипания биологической ткани к коаксиальному излучателю.
11
Пример. Численные расчеты данного аппликатора, проведенные с помощью аксиально-симметричной модели методом конечных элементов для системы уравнений электродинамики и теплопроводности и с учетом физических свойств биоткани и материалов антенны на частоте 2,45 ГГц показали, что система обеспечивает уровень отраженной мощности не ниже S=-11 дБ и в области взаимодействия наблюдается зона коагуляции, сформированная тремя излучающими элементами: стержнем и двумя щелями, превышающая аналогичную зону коагуляции прототипа. Результаты были достигнуты для аппликатора со следующими размерами.
H
D
d<sub>1</sub>
d<sub>2</sub>
s
p
l
h
q
k
m
u
40
1.5
0.8
0.5
2
2.5
1
5
5
0.2
0.05
1
Для согласования заявляемого аппликатора со стандартной коаксиальной линией может быть использован линейный переход длиной 29 мм, заполненный тефлоном. Дополнительное увеличение области коагуляции достигается за счет применения биосовместимых солевых растворов [Белоусов Е.Л., Долотов Б.К., Шкарин В.В, и др. Средство для повышения токопроводимости биологических тканей при локальной гипертермии новообразований (варианты) // Патент РФ RU 2132186. 1999].