Коаксиальный излучатель для микроволновой терапии биологических тканей

Полезная модель относится к области микроволновой медицинской техники и предназначено для проведения ЭМ терапии раковых опухолей.

Задачей полезной модели является создание изделия для микроволновой абляции более простой конструкции с меньшим диаметром, обеспечивающей уровень отраженной мощности не хуже S₁₁=-11 дБ.

Поставленная задача достигается тем, что в коаксиальном излучателе, выполненном в виде регулярного отрезка коаксиальной линии, состоящего из внутреннего и внешнего проводника, а также диэлектрического заполнения между ними, помещенных в плотно прилегающий диэлектрический катетер согласно заявляемому техническому решению дополнительно содержится индуктивный стержень, расположенный с торца отрезка коаксиальной линии в продолжении 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. 1 н.п.ф., 1 фиг.

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.

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 ₁₁=-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.

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 S₁₁=-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.

Задачей полезной модели является создание изделия для микроволновой абляции более простой конструкции с меньшим диаметром, обеспечивающей уровень отраженной мощности не ниже S₁₁=-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.

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, d₁ - диаметр внутреннего проводника, D - диаметр внешнего проводника, d₂ - диаметр индуктивного стержня, h - высота диэлектрического конуса, s - высота диэлектрической шайбы, p - ширина азимутальной щели, l - расстояние между азимутальными щелями, q - длинная индуктивного стержня.

Заявляемый коаксиальный излучатель состоит из регулярного отрезка коаксиальной линии, длинной Н, с открытым концом 1, включающего в себя внутренний проводник 2 диаметром d₁, внешний проводник 3 диаметром D и диэлектрическое заполнение 4, индуктивного стержня 7, длинной q, являющегося продолжением внутреннего проводника 2 коаксиальной линии, имеющего диаметр d₂<d₁ 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 ('=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 '=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 ('=2,1) помогает избежать прилипания биологической ткани к коаксиальному излучателю.

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 S₁₁=-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.

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].

Коаксиальный излучатель, выполненный в виде регулярного отрезка коаксиальной линии, состоящей из внутреннего и внешнего проводников, а также диэлектрического заполнения между ними, помещенного в плотно прилегающий диэлектрический катетер, отличающийся тем, что дополнительно содержит индуктивный стержень, расположенный с торца отрезка коаксиальной линии в продолжении 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.