DE2827003A1

DE2827003A1 - Einrichtung zur mikrowellen-hyperthermiebehandlung

Info

Publication number: DE2827003A1
Application number: DE19782827003
Authority: DE
Inventors: Fred Sterzer
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1978-06-20
Publication date: 1978-12-21
Also published as: GB2000335B; GB2000335A; JPS5753110B2; US4190053A; DE2827003C2; JPS547789A; FR2395039B1; FR2395039A1

Description

Einrichtung zur Mikrowellen-Hyperthermiebehandlung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung die genaue Messung und Steuerung der Temperatur von lebendem Gewebe während einer Hyperthermiebehandlung,

Maligne Tumore (Krebsgeschwüre) werden oft chirurgisch entfernt. In gewissen Fällen ist jedoch eine operative Behandlung nicht angezeigt.

Die Ärzte wissen ferner seit alters her, daß Krebspatienten in vielen Fällen dadurch erfolgreich behandelt werden können, daß man die Temperatur des Tumors erhöht, diese Behandlung wird häufig kurz als Hyperthermie bezeichnet. Eine Möglichkeit der Hyperthermie besteht darin, die Temperatur eines größeren Teiles des Körpers des Patienten, in dem sich der Tumor befindet, zu erhöhen. In den spaten sechziger Jahren wurden z.B. Tumore in Armen und Beinen durch Perfusion dieser Gliedmaßen mit heißem Blut behandelt. Bei der Behandlung von Patienten mit Blasentumoren wurde die

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Blase mit heißer Flüssigkeit durchgespült. 1974 wurden Patienten von schottischen Ärzten in heißem Wachs gebadet. Andere Ärzte haben die Erhöhung der Körpertemperatur durch Infektion des Patienten mit Malaria bewirkt.

Es ist bekannt, daß bestimmte Tumore bei einer Temperatur von etwa 43 ⁰C schrumpfen oder verschwinden. Ein auf dieser Kenntnis beruhendes bevorzugtes Hyperthermieverfahren zur Tumorbehandlung mit dieser Temperatur besteht darin, nur dasjenige Gewebe zu erwärmen, das denTumor enthält. Es ist bekannt, für die Erhöhung der Temperatur des sogenannten "örtlichen Gewebes" das an den Tumor angrenzt und diesem nahe benachbart ist, Mikrowellen zu verwenden. Die Eindringtiefe der Mikrowellenenergie in das Körpergewebe ist bekannt und stellt eine stetige Funktion der verwendeten Frequenz dar. Die Temperatur des Gewebes hängt direkt von der Leistung oder Intensität der der Oberfläche des Körpergewebes zugeführten Mikrowellenenergie ab. Das zu erhitzende Gewebevolumen läßt sich durch die elektrische Konstruktion und die Konfiguration des Mikrowellenapplikators steuern, also durch die Vorrichtung, die die Mikrowellen abstrahlt oder anderweitig zur Einwirkung bringt. Die Mikrowellenstrahlung läßt sich so steuern, daß die Temperatur eines bekannten Volumens des Gewebes, das von der Oberfläche der Haut bis zu einer bekannten Tiefe unterhalb der Haut reicht, schnell erhöht wird. Während der Mikrowellen· bestrahlung soll eine überhitzung sowohl des Tumors als auch des umgebenden lebenden Gewebes verhindert werden. Die Temperatur des lebenden Gewebes, insbesondere am Ort des Tumors, soll daher genau gemessen werden können.

Es ist bekannt, die Gewebetemperatür bei der Hyperthermiebehandlung durch Thermoelemente zu messen. Die Thermoelemente werden entweder auf der Oberfläche der Haut angebracht oder durch einen Eingriff unter der Haut angeordnet. Das Thermoelement, das die Temperatur während der Mikrowellenbehandlung mißt, kann auch zum Abschalten der Mikrowellenbestrahlung des Gewebes verwendet werden, wenn eine vorgegebene Temperatur erreicht ist. Mit Thermoelementen läßt sich die Temperatur des Gewebes jedoch nur an der räumlich sehr begrenzten Berührungsstelle zwischen Thermoelement und Gewebe messen. Eine eingermaßen genaue Temperaturmessung ist daher nur bei implan-

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tiertem Thermoelement möglich, was jedoch einen chirurgischen Eingriff erfordert. Durch ein Thermoelement, das ja aus Metall besteht, treten außerdem Verzerrungen des einwirkenden Mikrowellenfeldes und zusätzliche Erwärmungseffekte auf, was zusätzlich zur Ungenauigkeit der Temperaturmessung beiträgt. Thermoelemente können ferner als Strahlungsaufnehmer wirken und Signale oder Energie anderer Frequenzen als der einwirkenden Mikrowellen aufnehmen, was die Temperaturmessung ebenfalls beeinträchtigen kann. Alles in allem läßt sich mit Thermoelementen nicht diejenige Genauigkeit der Temperaturmessung erreichen, die für optimale Ergebnisse der Hyperthermiebehandlung benötigt wi rd.

Es ist ferner bekannt, zur Diagnose maligner Tumore die subkutane Gewebetemperatur durch Radiometer zu messen, siehe z.B. die Veröffentlichung von Barnette und Meyers "Subcutaneous Temperature: A Method of Noninvasive Sensing", ,Science 14.November 1975, Band 190, Seiten 669-671 und die Veröffentlichung von R.H. Dicke "The Measurement of Therman Radiation at Microwave Frequencies", The Review of Scientific Instruments, Band 17, Nr. 7, JuIi 1946, Seiten 268 bis 275.

Die Erwärmung von lebendem Gewebe durch Mikrowellen ist nicht auf die Tumorbehandlung beschränkt, sondern wird auch bei einer Reihe anderer Erkrankungen angewendet.

Durch die vorliegende Erfindung soll also eine Einrichtung angegeben werden, mit der bei der Hyperthermiebehandlung von lebendem Gewebe das erhitzte Gewebevolumen, gleichgültig ob es einen Tumor enthält oder nicht, genau gemessen werden kann, so daß eine Gefahr für den Patienten ausgeschlossen und eine erfolgreiche Hyperthermiebehandlung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

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Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht eine genaue und zuverlässige Temperaturmessung ohne operativen Eingriff, so daß die optimalen Behandlungstemperaturen in engen Grenzen eingehalten werden können.

Bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung wird also im Zuge einer Hyperthermiebehandlung von lebendem Gewebe das Gewebe mit Energiesignalen einer vorgegebenen Frequenz und Intensität bestrahlt und es wird von dem bestrahlten lebenden Gewebe abgestrahlte Energie gemessen, die in einer Beziehung zu der vorgegebenen Frequenz steht und vorzugsweise gleich dieser Frequenz ist.

Im folgenden wird ein Ausflihrungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines in der Einrichtung gemäß Fig.1 enthaltenen Steuerteils;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Signalen, die im Steuerteil verwendet oder erzeugt werden;

Fig. 4 ein Schaltbild eines in der Einrichtung gemäß Fig. 1 enthaltenen Taktgebers;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Taktsignalen des Taktgebers gemäß Fig. 4;

Fig. 6A und 6B graphische Darstellungen des Temperaturprofils eines bestimmten Gewebevolumens.

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Fig. 1 zeigt die Anordnung und Organisation der Hauptteile einer bevorzugten Ausführungsform einer Hyperthermiebehandlungseinrichtung gemäß der Erfindung. Die Einrichtung gemäß Fig. 1 enthält eine Mikrowellenquelle 100, welche ein Mikrowellensignal 18 liefert, welches über Anschlüsse 120 und 214 (z.B. eine Koaxial kabel-Steckverbindung) mit einem Steuerteil 200 verbunden ist, von dem aus ein Mikrowellensignal 20 über einen Anschluß 216 einem Applikator 600 zur Bestrahlung von Gewebe 300 während bestimmte« durch einen Taktgeber gesteuerter Intervalle zugeführt wird. Das zur Bestrahlung dienende Signal 20 wird unterbrochen, um es dem Gewebe 300 zu ermöglichei ein Signal (in Richtung einer Pfeilspitze 232) abzustrahlen, welches über den Steuerteil 200, Anschlüsse 222 und 223 sowie eine Leitung 220 einen Mikrowellenradiometer 500 zur Messung zugeführt wird.

Bei der Mikrowellenquelle 100 handelt es sich um einen üblichen, abstimmbaren Mikrowellengenerator, der Hochfrequenzsignale im Frequenzbereich von 900 bis 10 000 MHz mit Leistungen in der Größenordnung von 1,0 bis 100 Watt zu erzeugen vermag. Die Mikrowellenquelle 100 wird so eingestellt, daß am Anschluß 120 ein Signal zur Verfügung steht, dessen Frequenz die gewünschte Eindringtiefe in das Körpergewebe und dessen Leistung die gewünschte Erhitzung des lebenden Körpergewebes ergibt.

Hinsichtlich der Erwärmungseffekte in biologischen Systemen durch Mikrowellen sei auf die Veröffentlichung von Herman P. Schwan, "Interaction of Microwave and Radio Frequency Radiation with Biological Systems" IEEE Transactions on Microwave Theroy and Techniques, Band MTT-19, No.2, Februar 1971 verwiesen.

Der Steuerteil 200 leitet die Mirkowellen von einer Eingangsleitung 110 über den Ausgangsanschluß 216 zum Applikator 600 weiter. Beispiele von Schaltungen für den Steuerteil 200 und den Taktgeber 400 werden anhand von Fig. 2 bzw 4 erläutert.

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Bei dem Applikator 600 handelt es sich um eine Mikrowellen-Hochfrequenzleitung, z.B. einen Hohlleiter, einen Hornstrahler oder dgl., durch den das Mikrowellensignal 20 auf das Körpergewebe 300 gekoppelt werden kann. Der Applikator 600 ist vorzugsweise mit einem dielektrischen Material gefüllt, das eine Dielektrizitätskonstante hat, die im wesentlichen gleich der Dielektrizitätskonstanten des lebenden Gewebes 300 ist. Typischerweise liegt die Dielektrizitätskonstante des im Applikator 600 enthaltenen Materials und des Gewebes im Bereich von 5 bis 50. Der Eingang des Applikators 600 ist mit dem Steuerteil z.B. über ein 50 Ohm-Koaxial kabel 230 und den AnschluS 216, z.B. eine Koaxial steckverbindung oder dgl., verbunden. Durch den Applikator 600 wird die Impedanz des Gewebes 300 im wesentlichen an die Impednaz des Anschlusses 216 angepaßt. Der Applikator 600 kann irgend eine geeignete Form haben. Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Applikators 600 kann auch ein mit dielektrischem Material gefüllter Koaxial-Applikator verwendet werden.

Das zur Messung der Strahlungsenergie dienende Mikrowellenradiometer 500 kann in bekannter Weise aufgebaut sein, es ist vorzugsweise auf ein wählbares Frequenzband im Mikrowellenbereich abstimmbar, insbesondere auf den Frequenzbereich des Mikrowellensignals 18. Das Radiometer ist geeicht oder auf andere Weise so ausgebildet, daß es ein Signal erzeugt, das die mittlere Temperatur der erfaßten Wärme- oder Strahlungsenergie darstellt. Das Radiometer 500 ist ferner mit einer Sensorschaltung verbunden, die ein Temperatursteuersignal 38 auf einer Ausgangsleitung 510 erzeugt, das dazu dient, einen vorgegebenen Temperaturbereich ( z.B. 43,0 ± 0,5 ^CC) entsprechend der seinem Eingangsanschluß 223 zugeführten gemessenen Strahlungsenergie aufrecht zu erhalten. Die Vorderflanke 38a (Fig. 4) des Signals 38 wird also beispielsweise erzeugt, wenn die Temperatur entsprechend der vom Radiometer 500 gemessenen Strahlungsenergie etwa 43,5 ⁰C ist und das Signal bleibt dann bestehen, bis die Temperatur auf etwa 42,5 ⁰C abgefallen ist und die Rückflanke 38b auftritt und das Signal wieder auf Null abfällt, wie auch durch die letzte Kurve in Fig. 3 dargestellt ist.

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Der Taktgeber 400 liefert Taktsignale 31, die die Abschaltzeiten des Mikrowellenradiometers 500, während denen das Mikrowellensignal 20 von der Mikrowellenquelle 100 dem lebenden Gewebe 300 zugeführt und in diesem absorbiert wird, und ein Steuersignal 30 für die Einschaltperiode des Mikrowellenradiometers 500, während der die Bestrahlungsenergie des erhitzten Gewebes 300 gemessen wird. Das im Taktgeber 40 zugeführte Signal 38 bewirkt, daß der Steuerteil 200 das Mikrowellensignal 20 vom Applikator 600 auf eine künstliche Belastung oder Antenne 700 umschaltet und das Radiometer 500 die Strahlungsenergie vom Gewebe 300 mißt. Ohne die Bestrahlung durch das Mikrowellensignal 20 sinkt die Gewebetemperatur. Wenn die Gewebetemperatur etwa 42,5 ⁰C erreicht, was durch das Radiometer 500 festgestellt wird, fällt das Signal 38 auf Null ab und die Mikrowellen 20 werden dann wieder auf den Applikator 600 geschaltet, um das Gewebe 300 zu bestrahlen, während gleichzeitig das Radiometer 500 abgeschaltet wird, damit es nicht durch die hohe Energie der Mikrowellen 20 beschädigt wird.

Eine für den Steuerteil 200 geeignete Schaltung soll nun anhand der Figuren 2 und 3 erläutert werden. Die Eingangssignale von der mit der Mikrowellenquelle 100 verbundenen Leitung 110 sowie die Ausgangssignale zu der zum Applikator führenden Leitung 230 bzw. einer zur künstlichen Belastung 700 führenden Leitung 240 und zum Radiometer 500 werden durch steuerbare PIN-Dioden 204, 208 bzw. 210 gesteuert. Die PIN-Dioden enthalten einen Halbleiterkörper mit der Zonenfolge P-leitend-eigenleitend-N-leitend. Anstelle dieser Dioden können selbstverständlich auch andere Mikrowellenschaltvorrichtungen, die die auftretenden Mikrowellenenergien zu schalten vermögen, verwendet werden.

Das Mikrowellensignal 18 von der Mikrowellenquelle 20 wird über Hochfrequenzleitungen 202 und 206 zum Applikator 600 übertragen. Die Hochfrequenzleitungen können Koaxialkabel, Hohlleiter, Bandleitungen usw. sei.

Die erste PIN-Diode 204 wird durch die positiven und negativen Taktspannungen 30 bzw. 31 gesperrt, (Aus) bzw. aufgetastet (Ein), wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Gleichzeitig werden die zweite und die dritte PIN-

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Diode 208 bzw. 210 durch die positiven bzw. negativen Spannungen 30 bzw. 31 ein- bzw. ausgeschaltet. Die Taktspannungen 30, 31 werden über eine Leitung 410, eine Klemme 219 und eine Leitung 211 zugeführt.

Die erste PIN-Diode 204 verbindet im eingeschalteten Zustand die Hochfrequenzleitung 202 mit der Hochfrequenzleitung 206, so daß das Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal 18 über die Leitung 230 zum Applikator 600 gelangt. Die zweite PIN-Diode 208 koppelt im eingeschalteten Zustand die Hochfrequenzleitung 202 über die Leitung 240 und den Anschluß oder Koppler 218 mit der z.B. aus einem Widerstand bestehenden künstlichen Belastung 700, so daß das Signal 18 während der Zeitspanne, in der der Applikator 600 nicht erregt wird, von diesem zur Leistungsaufnahme durch die künstliche Belastung 700 übertragen wird.

In Fig. 4 ist das Schaltbild und in Fig. 5 sind die zugehörigen Signale einer Schaltungsanordnung dargestellt, die sich als Taktgeber 400 für den Steuerteil 200 eignen. Selbstverständlich lassen sich die für die Hyperthermiebehandlung erforderlichen Taktsignale auch durch andere Taktgeberschaltungen erzeugen.

Der Taktgeber 400 gemäß Fig. 4 enthält als zeitnormal eine 60 Hz-Quelle 402, aus deren Ausgangssignal 402a durch eine Teilerschaltung 404 ein 1 Hz-Signal 405a erzeugt wird. Aus diesem wird durch eine Teilerschaltung 406 mit dem Teilungsfaktor 10 auf einer Leitung 407 ein Signal 432 erzeugt, das einen Impuls pro 10 Sekunden enthält. Das Signal 432 wird über ein ODER-Glied 414 einem Setzeingang und direkt einem Rücksetzeingang eines Meßperioden-Flipflops 416 zugeführt. In der folgenden Diskussion wird angenommen, daß alle auf der Leitung 407 auftretenden Signale, wie das Impulssignal 432, gleichzeitig sowohl dem Setzeingang als auch dem Rücksetzeingang des Flipflops 416 zugeführt werden. Es wird ferner vorausgesetzt, daß das Flipflop 416 auf Signale, wie das Signal 432, durch Änderung seines Zustandes reagiert, also vom gesetzten in den rückgesetzten Zustand umschaltet oder umgekehrt.

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Dem ODER-Glied 414 wird ferner über eine Leitung 510 das Temperatur- oder Steuersignal 38 vom Radiometer 500 zugeführt.

In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf der verschiedenen Signale des Taktgebers 100 dargestellt. Die bei der Erzeugung der Steuersignale 30 und 31 mitspielenden Taktsignale werden durch Teilung des schematisch dargestellten ursprünglichen 60 Hz-Signales 402a durch 60 unter Erzeugung des Signals 405a und dann durch erneute Teilung durch 10 unter Erzeugung der Zehn-Sekunden- Impulse 432 erzeugt. Die Meßdauer- oder Meßperioden-Signale 31 und können z.B. eine Dauer von 10 Sekunden für den AUS-Zustand und eine Dauer von 10 Sekunden für den EIN-Zustand, also eine Periode von insgesamt 20 Sekunden haben, wie aus der Zeitskala in der ersten Zeile der Fig. 5 ersichtlich ist. Beim Auftreten des ersten Zehn-Sekunden-Impulses 432 beginnt das Meßzeitoder Meßtaktsignal 30 auf der Leitung 410. Das Signal 30 dauert bis zum nächsten Zehn-Sekunden-Impuls 434, der das Flipflop 416 zurücksetzt und das andere Meßtaktsignal 31 auf der Leitung 410 erzeugt. Der nächste (dritte) Zehn-Sekunden-Impuls (nicht dargestellt) läßt diesen Zyklus erneut beginnen. Die Signale 432, 434 bestimmen also einen 20 Sekunden dauernden Zyklus, in dem das Gewebe 300 während eines 10 Sekunden dauernden Teiles bestrahlt wird. Zusätzlich erfolgt jedoch eine Regelung der Gewebetemperatur durch Steuerung der Erregungszeit des Applikators in Abhängigkeit vom Radiometertemperatursignal 38.

Das Arbeiten der drei PIN-Dioden 204, 208 und 210 des Steuerteils 200 soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert werden, in der der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge im Steuerteil 200 und der durchgeführten Hyperthermiebehandlung graphisch dargestellt ist. Es sei angenommen, daß anfänglich das Meßtaktsignal 31 einen negativen Spannungswert hat, so daß die erste PIN-Diode 204 durchgeschaltet ist und die Mikrowellenquelle 100 mit dem Applikator 600, d.h. in Fig. 2 die Leitungen 110 und 230, verbindet. Zur gleichen Zeit sind die zweite und die dritte PIN-Diode 208 und 210 gesperrt, so daß die Verbindung zur Leitung 240 und damit zur künstlichen Belastung 700 bzw. zur Leitung 220 und damit zum Radiometer 500 unterbrochen ist. Nach Ablauf der vorgegebenen Meßtaktzeit (10 Sekunden) nimmt das Meß-

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taktsignal den positiven Spannungswert 30 an, so daß die zweite und dritte PIN-Diode 208 bzw. 210 durchgeschaltet und die erste PIN-Diode 204 gesperrt werden. Für die Dauer des Signales 30 ist das Mikrowellensignal 20 vom Applikator 600 abgeschaltet (PIN1 "AUS") und wird dafür der künstlichen Belastung 700 zugeführt (PIN2 "EIN"), gleichzeitig ist PIN3 "EIN" und verbindet den Applikator 600, der nun als Mikrowellenantenne wirkt, mit dem Radiometer 500. Das Radiometer 500 mißt nun die Strahlungsenergie aus dem Volumen des bestrahlten (erwärmten) Gewebes 300.

Das Umschalten des Meßtaktsignals zwischen einer negativen Spannung 31 und einer positiven Spannung 30 bewirkt also, daß das Mikrowellensignal 20 für 10 Sekunden (Dauer von 31) dem Applikator 600 zugeführt wird und für dienächsten 10 Sekunden (Dauer von 30) vom Applikator 600 abgeschaltet wird, wobei dann das Mikrowellenradiometer 500 mit dem Applikator 600 verbunden wird, so daß die Strahlungsenergie vom erwärmten Gewebe 300 gemessen werden kann. Die Meßperiode 30 dauer 10 Sekunden und endet, wenn das Meßtaktsignal wieder den negativen Spannungswert 31 annimmt. Die Mikrowellenquelle 100 wird dann erneut für 10 Sekunden mit dem Applikator 600 gekoppelt. Das Signal 30 wird dann wieder positiv und der Zyklus beginnt von neuem. Wenn die Temperatur des erwärmten Gewebes in der Meßperiode, während der das Radiometer 500 die Strahlungsenergie vom Volumen des erwärmten Gewebes 300 mißt, etwa 43,5 ⁰C ist oder wird, erzeugt das Radiometer 500 das Signal 38, das dem Taktgeber 400 zugeführt wird urti das Meßtaktsignal auf dem positiven Wert 30 hält (Fig. 3), bis die Temperatur wieder auf etwa 42,5 ⁰C abgefallen ist und das Meßtaktsignal entsprechend der Rückflanke 38b des Signals 38 wieder den negativen Wert 31 annehmen kann und die Mikrowellen 20 wieder zum Applikator 600 durchgeschaltet werden können.

Bei der vorliegenden Einrichtung bestimmt das Mikrowellenradiometer 500 einen mittleren Temperaturwert aus der Strahlungsenergie von dem Volumen des durch die Mikrowellen erwärmten Gewebes 300.

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Genauer gesagt, erfolgt die Bestimmung des mittleren Temperaturwertes dadurch, daß das Radiometer auf einen Empfang von Strahlungsenergiesignalen abgestimmt wird, welche von dem erwärmten Gewebe 300 bei einer Frequenz oder in einem Frequenzband entsprechender Frequenz bzw. dem Frequenzband des erregenden Signales 18 abgestrahlt und über den Applikator sowie die Hochfrequenzleitung 220 empfangen werden. Da die effektive Eindringtiefe des Mikrowellensignals, das vom Applikator 600 in das Gewebe 300 gekoppelt wird, von der Frequenz des Signales abhängt, während die mittlere Temperatur des erwärmten GewebeVolumens von der Leistung oder Intensität des Mikrowellensignals 20 abhängt, mißt das Radiometer 500, wenn es auf die gleiche Frequenz oder das gleiche Frequenzband abgestimmt ist, wie die Frequenz oder das Frequenzband des erregenden Signals, diejenige Strahlungsenergie und damit die Gewebetemperatur, die im wesentlichen nur auf der Erwärmungswirkung des erregenden Signals beruhen. Bei einer solchen Abstimmung des Radiometers wird abgestrahlte Energie, die in Beziehung zu Wärmeenergie anderer Frequenzen im Spektrum die in der thermischen Energie des Gewebes 300 von Natur aus vorhanden sind, nicht wahrgenommen und es kann dadurch keine Beeinflussung und Beeinträchtigung der Messung der gesuchten Temperatur eintreten. Wenn man also nur die Energie und damit die Temperatur des Gewebes 300, das durch die Mikrowellen erwärmt wurde, mißt, läßt sich also die Temperatur des Gewebes im Rahmen der Möglichkeiten des Mikrowellenquelle 100 und des Radiometers 500 ziemlich genau steuern. In der Praxis läßt ein Radiometer eine Temperatureichung in Schritten in der Größenordnung von 0,1 ⁰C zu. Es ist, wie erwähnt, bekannt, daß ein maligner Tumor 304 durch Erwärmung auf eine Temperatur von 43,5 ⁰C - 0,5 ⁰C therapeutisch behandelt und zur Remission gebracht werden kann.

Wenn die Hochfrequenz oder Mikrowellen 20 dem Applikator 600 zugeführt werden, um das Gewebevolumen 300 zu erhitzen, dringen die elektromagnetischen Schwingungen wie eingangs erwähnt in das Gewebe bis zu einer Tiefe ein, die von der Art des bestrahlten Gewebes (Fett, Muskelgewebe, Knochengewebe oder normales bzw. atrcphiertes Gewebe usw.) und von der Frequenz der Schwingungen abhängt.Nachdem die Bestrahlung des Gewebevolumens

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unterbrochen worden ist, wird das Radiometer 500 zur Messung der vom Gewebe 300 abgestrahlten Energie angeschaltet. Die Frequenz der abgestrahlten Energie ist, wie erwähnt, vorzugsweise gleich der Frequenz der Mikrowellenquelle und das auf diese Frequenz abgestimmte Radiometer mißt daher im wesentlichen nur die Strahlungsenergiefrequenz des erwärmten Gewebevolumens. Diese Strahlungsenergie wird von dem Gewebevolumen 300 abgestrahlt, das die eingestrahlten Mikrowellen absorbiert hat und die Temperaturmessung wird über das Volumen gemittelt. Eine solche Messung der mittleren Temperatur im Gewebevolumen vermeidet offensichtlich die Schwierigkeiten bei den bisherigen Hyperthermiebehandlungen, bei denen die Temperaturmessung durch außen angelegte oder durch einen chirurgischen Eingriff applizierte Tjermoelemente erfolgt.

In der Praxis wird die subkutane Eindringtiefe für eine wirkungsvolle Erwärmung des Gewebes und vor allem des im Gewebe eingebetteten Tumors durch die Lage des subkutanen Gewebes und Tumors bestimmt. Die Frequenz der zur Bestrahlung verwendeten Mikrowellen bestimmt die effektive Eindringtiefe der Erwärmung. Gemäß den Bestimmungen in den Vereinigten Staaten von Amerika stehen für Hyperthermiegeräte z.B. die Frequenzbereiche 915 ± 13 MHz und 2450 ί 50 MHz zur Verfügung, in der Bundesrepublik Deutschland sind ähnliche Frequenzbereiche für industrielle und medizinische Zwecke vorgesehen. Diese Frequenzen können bei der vorliegenden Einrichtung verwendet werden, man kann jedoch, soweit zulässig, auch andere Frequenzen verwenden, die mit ausreichender Energie in der Strahlung des schwarzen Körpers bei den hier interessierenden Temperaturen vorkommen. Für die Bestrahlung von relativ hautnahem Gewebe kann man z.B. mit einer Frequenz bis zu 3 GHz und bei der Bestrahlung von tiefer liegendem Gewebe mit einer Frequenz von etwa 0,9 GHz arbeiten.

In der Praxis wird sich in der Gewebemasse oder dem Gewebevolumen, auf das die Strahlung durch den Applikator zur Einwirkung gebracht wird, ein Temperaturgradient einstellen, der im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Haut gerichtet ist. Der Gradient hängt von der Frequenz und

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der Intensität des zur Bestrahlung verwendeten Signales ab. In den Figuren 6A und 6B ist beispielsweise ein Temperaturgradient, wie er während einer Hyperthermiebehandlung auftreten kann.

Angenommen das bestrahlende Signal 20 erwärmt das Gewebe 300 und den Tumor 304 auf einer Temperaturfläche 306 (Fig. 1 und 6B) auf eine Temperatur t4. Bekanntlich hängt der Energiezustand vom erwärmten Gewebe, der das Frequenzspektrum entsprechend der Temperatur des Gewebevolumens bestimmt, nicht davon ab, wie die Energie in das System eingeführt worden ist. Man kann daher in dem den Tumor 304 enthaltenden Gewebevolumen ein Temperaturprofil aufnehmen, indem man das Radiometer schrittweise auf die Frequenzen oberhalb und unterhalb der Frequenz f4 der erregenden Mikrowellen 20 abstimmt.

Das Radiometer 500 wird so geschaltet, daß es die Strahlungsenergie vom Gewebe 300 und Tumor 304 bei mehreren verschiedenen Frequenzen oberhalb und unterhalb der Frequenz f4, bestimmt oder mißt. Wenn also das Radiometer auf die Frequenz f3 abgestimmt ist, kann die mittlere Temperatur entsprechend dem betreffenden Gewebevolumen durch die Temperaturfläche 308 dargestellt werden. In entsprechender Weise wird bei bei f2 wieder eine andere Temperatur t2 auf einer Temperaturfläche 310 festgestellt und bei einer noch höheren Frequenz f1 auf einer Temperaturfläche 312. Bei Abstimmung des Radiometers auf niederigere Frequenzen ergeben sich in entsprechender Weise Temperaturflächen für Temperaturen, die niedriger sind als t4, z.B. eine Temperaturfläche 314 für eine Temperatur t5, wenn das Radiometer auf eine Frequenz f5 eingestellt ist, und eine Temperaturfläche 316 für eine Temperatur t6, wenn das Radiometer auf eine Frequenz f6 abgestimmt ist. Das Profil dieses Temperaturgradienten ist in Fig. 6A längs der die Temperaturflächen darstellenden Linien 312, 310, 308, 306, 314, 316 dargestellt. Die Temperaturen für die entsprechenden Tiefen lassen sich an der Abszisse ablesen. Typische Frequenzen sind 2450 MHz für f4 mit Schritten von z.B. 100 MHz für jedes Inkrement oberhalb und unterhalb von f4. Typische Temperaturen sind z.B. 43,0 ⁰C für f₄ mit Schritten von 0,1 ⁰C oberhalb und unterhalb dieser Temperatur. Bei der Anwendung der vorliegenden Einrichtung kann die

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Erwärmung des Tumors 304 also dadurch abgeschätzt werden, daß man feststellt, welche Teile des Tumors auf Temperaturen im kritischen therapeutischen Temperaturbereich von 43,0 ± 0,5 ⁰C erwärmt werden.

Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß mit der Hyperthermie-Behandlungseinrichtung gemäß der Erfindung die Temperatur von Gewebe, das mit einem malignen Tumor infiziert ist, innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches gehalten werden kann, insbesondere in einem Bereich von 43,0 t 0,5 ⁰C der nach neuesten Erkenntnissen eingehalten werden soll, um die Remission eines malignen Tumors zu bewirken. Die vorliegende Einrichtung kann jedoch auch für eine Hyperthermiebehandlung verwendet werden, die anderen Zwecken dient, z.B. für eine therapeutische Erwärmung von Organen des Körpers, wie des Herzens, der Leber, der Nieren, der Hypophyse usw.

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TELKPON OSB/4700Οβ

RCA 70860 Dr.ν.Β/Ε US-Ser.No. 808 292 Filed: June 20, 1977

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Einrichtung zur Mikrowellen-Hyperthermiebehandlung Patentansprüche

(jy Einrichtung zur Mikrowellen-Hyperthermiebehandlung von lebendem Gewebe, mit einer Mikrowellenquelle, die Mikrowellen vorgegebener Frequenz und Intensität liefert, einer Anordnung zur übertragung der Mikrowellen auf das zu bestrahlende lebende Gewebe, und einer Temperaturmeßvorrichtung zum Feststellen der Temperatur des Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßvorrichtung eine Anordnung (500) zur Wahrnehmung von Strahlungsenergie enthält, die in Beziehung mit der vorgegebenen Frequenz steht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Feststellung der Gewebetemperatur ein Radiometer (500) enthält, das auf die Frequenz der Mikrowellen abgestimmt ist.

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POSTSCHECK MÜNCHEN NR. β Ol «8 SOO · BANKKONTO HYPOBANK MÜNCHEN (BLX 70O3OO40) KTO. βΟβ0 3Β7»78

ORIGINAL INSPECTED
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßvorrichtung eine durch die Strahlungsenergie vom Gewebe gesteuerte Anordnung zum Erzeugen eines Signales (38) enthält, das eine bestimmte Temperatur entsprechend der vom Gewebe abgestrahlten Wärmeenergie angibt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zeitsteueranordnung (414, 416, 204, 208, 210), die unter Steuerung durch das Temperatursignal (38)

a) ein erstes Taktsignal (30) zur Abkopplung der Mikrowellensignale von dem Gewebe (300), wenn dessen Temperatur gleich der vorgegebenen Temperatur ist, und

b) ein zweites Taktsignal (31) zur Ankopplung der Mikrowellen an das zu bestrahlende Gewebe (300), wenn die Temperatur des Gewebes einen zweiten Wert, der unterhalb des Wertes der vorgegebenen Temperatur liegt, erzeugt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßvorrichtung ein Radiometer enthält, das auf eine Frequenz abgestimmt ist, die von der Frequenz der von der Mikrowellenquelle (100)erzeugten Mikrowellen (18) verschieden ist, um einen Temperaturgradienten im Gewebe (300)zu bestimmen.

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