Способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии (варианты)

 

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для создания аппаратов СВЧ лучевой терапии для лечения злокачественных опухолей путем ее прогрева электромагнитной энергией СВЧ-диапазона, а также для создания технологических установок для локального прогрева крупногабаритных объектов. Способ осуществляют распределением электромагнитного сигнала генератора СВЧ между отдельными излучателями, которые установлены с возможностью регулировки их положения относительно объекта для гипертермического воздействия, путем многозондового отбора мощности из частично нагруженного волновода или резонатора системой магнитных или электрических зондов с изменяемым коэффициентом связи, включенных в волновод или резонатор в точках, отстоящих от соседних зондов на расстоянии d = n•λ/2±λ/2, где n = 1, 2, 3, ... - целое число, λ - длина волны в волноводе. Величину изменения коэффициента связи зондов с волноводом или резонатором регулируют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора СВЧ мощности. Величину нагрузки волновода или резонатора настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора СВЧ-сигнала. Изобретение позволяет снизить побочные эффекты и травматичность при СВЧ-гипертермии за счет повышения точности фокусировки электромагнитного поля в заданной зоне нагрева. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) лучевой терапии для лечения злокачественных опухолей путем ее прогрева электромагнитной энергией СВЧ-диапазона, а также для создания технологических установок для локального прогрева крупногабаритных объектов.

Известны способы и устройства СВЧ-терапии, см., например: SU 1474943 A1, A 61 N 5/02, БИ 5 от 07.02.92, RU 2057576 C1, A 61 N 5/02, БИ 10 от 10.04.97, SU 1593668 A1, A 61 N 5/02, БИ 35 от 23.09.90, SU 1246452 A1, A 61 N 5/02, БИ 15 от 23.04.92, согласно которым СВЧ-прогрев осуществляют одним или двумя излучателями, подключенными к источнику СВЧ-энергии.

Недостатком этих способов является то, что они не могут обеспечить эффективного локального прогрева из-за отсутствия необходимой для этого фокусировки электромагнитного поля.

Прототипом изобретения является способ формирования СВЧ-излучения при гипертермическом воздействии и устройство для его осуществления SU 1804793 A1, A 61 N 5/02, 1/40, А 61 В 6/03, БИ 12 от 30.03.93 г. Согласно этому способу локальный гипертермический прогрев тканей объекта для гипертермического нагрева осуществляют системой фазированных излучателей антенной решетки, каждый из которых связан с генератором СВЧ-сигнала через отдельный амплитудно-фазовый преобразователь с регулятором фазового сдвига.

Метод формирования СВЧ-излучения, описанный в этом способе, базируется на традиционных средствах построения фазированных антенных решеток, когда в целях фокусировки на отдельных излучателях с помощью регулятора фазового сдвига изменяется только фаза сигнала, а амплитуда остается неизменной.

Недостатком этого способа формирования СВЧ-излучения является то, что для фокусировки электромагнитного сигнала при гипертермическом нагреве в нем используют регулировку только фазового распределения сигнала в системе излучателей, а это в условиях воздействия в ближней зоне поля излучения излучателей на неоднородную среду с большими потерями, каким обычно является объект для гипертермического воздействия, не достаточно и влечет за собой побочные эффекты и травмирование соседних здоровых органов.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является снижение побочных эффектов и травматичности при СВЧ гипертермии за счет повышения точности фокусировки электромагнитного поля в заданной зоне нагрева.

Решаемая техническая задача в способе формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии в первом варианте путем управления фазой электромагнитного сигнала генератора сверхвысокой частоты на входах отдельных излучателей, достигается тем, что регулируют амплитуду электромагнитного сигнала на соответствующем излучателе посредством изменения в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, коэффициента связи электрического или магнитного зонда, связанного с соответствующим излучателем, посредством изменения глубины погружения зонда внутрь волновода в точке, отстоящей от соседних зондов на расстояние d = n•λ/2±λ/2, где n = 1, 2, 3, ... - целое число, λ - длина электромагнитной волны в волноводе, при этом величину коэффициента связи каждого зонда с волноводом изменяют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, а величину нагрузки волновода настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора сверхвысокой частоты.

Решаемая техническая задача в способе формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии во втором варианте путем управления фазой электромагнитного сигнала генератора сверхвысокой частоты на входах отдельных излучателей. достигается тем, что регулируют амплитуду электромагнитного сигнала на соответствующем излучателе посредством изменения в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, коэффициента связи электрического или магнитного зонда, связанного с соответствующим излучателем, посредством изменения глубины погружения зонда внутрь резонатора в точке, отстоящей от соседних зондов на расстояние d = n•λ/2±λ/2, где n = 1, 2, 3, ... - целое число, λ - длина электромагнитной волны в волноводе, при этом величину коэффициента связи каждого зонда с волноводом изменяют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, а величину нагрузки волновода настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора сверхвысокой частоты.

На фиг. 1 изображен первый вариант структурной схемы установки, реализующей способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для СВЧ гипертермии на основе волновода.

На фиг. 2 изображен второй вариант структурной схемы установки, реализующей способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для СВЧ гипертермии на основе резонатора.

Она состоит из генератора СВЧ сигнала 1, подключенного к волноводу 2, нагруженного на нагрузку 3. В стенках волновода 2 выполнены с шагом d = n•λ/2±λ/2 m отверстий 4 диаметром d_от<<λ, где m - натуральный ряд чисел. С наружной стороны на отверстия 4 установлены металлические патрубки 5 диаметром _п<<λ и длиной L≥λ/4. Отверстия 4 используются для подключения р излучателей 6 к волноводу 2 электрическими зондами 7, соединенными с излучателями 6 линиями 8 через регуляторы фазового сдвига 9, где 0≤р≤m. Часть отверстий (m-р) остаются свободными и закрываются крышками 10. При необходимости они позволяют увеличить число излучателей 6 до m или изменить место подключения к волноводу 2 любых из р работающих излучателей 6. Излучатели 6 размещены относительно объекта нагрева 11 в соответствии с требованием фокусировки электромагнитного поля. В приведенном примере для распределения сигнала вместо волновода 2 может быть использован резонатор 12, изображенный на фиг. 2. В цепь каждого излучателя включен направленный ответвитель 13, с которого сигнал подается на автоматический измеритель комплексного коэффициента передачи 14, осуществляющий контроль амплитуды и фазы токов на входах излучателей 6.

Аналогично может быть реализована схема с помощью резонатора 12, показанного на фиг. 2.

Рассмотрим осуществление способа на примере установки, собранной по схеме, представленной на фиг. 1 и 2, для первого и второго вариантов. Формирование распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей 6 для СВЧ гипертермии осуществляют следующим образом. Излучатели 6, установленные относительно объекта нагрева 11 в соответствии с требованием фокусировки их излучения, подключают с помощью линий 8, регуляторов фазового сдвига 9 и зондов 7 к волноводу 2 через отверстия 4 и патрубки 5. Величина связи зондов 7 с волноводом 2 определяется коэффициентами связи α и устанавливается в соответствии с требуемым амплитудным распределением электромагнитного сигнала по излучателям 6. (См., например, Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д. И. - М.: Советское радио, 1972, c. 54, выражение (3.2) - α_n = P_n/(P_n-P_пр), где α_n - коэффициент n-го излучателя (зонда) с волноводом, Р_n - мощность, излучаемая n-м излучателем, Р_пр - мощность, проходящая дальше по линии). Волновод 2 нагружают на нагрузку 3, настроенную на поглощение от 0 до 100% мощности генератора СВЧ 1, обеспечивающую защиту генератора СВЧ 1 по рассогласованию и выравнивание распределения поля вдоль волновода 2. Нагрузка 3 поглощает оставшуюся часть мощности электромагнитного сигнала генератора СВЧ 1, не использованного для гипертермического нагрева. Величина этой оставшейся части мощности определяется (см., например, Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д.И. - М.: Советское радио, 1972, c.129, выражение (5.9) - ΣP_n = 1-P_L, где Р_L - мощность, поглощаемая в нагрузке). Для случая в первом варианте с волноводом 2 эта нагрузка берется согласованной и рассчитанной на поглощение оставшейся части мощности, величина которой в зависимости от величины мощности, отводимой на излучатели 6, в пределе может изменяться от 0 до 100% мощности генератора СВЧ 1. При этом в волноводе 2 устанавливается режим бегущей волны, распределение поля вдоль волновода 2 выравнивается и связь зондов 7 с волноводом 2 становится не критичной к продольной координате точки подключения зонда 7 к волноводу 2. Во втором варианте для случая с резонатором 12 эта нагрузка берется рассчитанной на поглощение этой оставшейся части мощности P_L, величина которой в пределе также может изменяться от 0 до 100% мощности генератора СВЧ 1, а требование согласования с волноводом на нее не накладывают. При этом она обеспечивает защиту генератора СВЧ 1 от рассогласования и сглаживает за счет снижения добротности распределение поля в резонаторе 12.

Регулировка распределения поля по амплитуде и фазе между излучателями 6 осуществляется следующим образом. Изменение амплитуды сигнала на конкретном излучателе 6 выполняют путем изменения коэффициента связи соответствующего зонда 7 с волноводом 2. Эта регулировка производится за счет изменения глубины погружения зонда 7 через отверстие 4 и патрубок 5 внутрь волновода 2. Изменение амплитуды наведенного сигнала на зонд 7 от глубины его погружения внутрь волновода 2 имеет вид U_о≈sin kh, если он выполнен в виде несимметричного электрического зонда, где k - волновое число, h - глубина погружения зонда 7. В случае зонда 7 в виде магнитного диполя эта зависимость имеет место и от угла его разворота в поле волновода 2. (См., например, Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - M. : Связь, 1983, с. 220-224, выражения (9.62-9.64)). Длина патрубка 5 L≥λ/4 обеспечивает полную регулировку по величине связи в случае, если зонд 7 выполнен четвертьволновым и уменьшает утечку электромагнитной энергии за счет ее ослабления в патрубке 5, как в запредельном волноводе 2. Регулировка фазы осуществляется регуляторами фазового сдвига 9, включенными в цепь каждого излучателя 6. Контроль амплитуды и фазы сигнала в цепи каждого излучателя 6 осуществляют по сигналу, отводимому направленным ответвителем 13, автоматическим измерителем комплексного коэффициента передачи 14, например, Р4-23.

По предложенной методике была собрана и испытана установка, состоящая из магнетронного генератора на магнетроне М 136 с мощностью 600 Вт с нерегулируемым выходом, подключенного к волноводу сечением 45х90 мм, нагруженному на конце на согласованную нагрузку. В широкой стенке волновода предусмотрено десять точек для включения электрических зондов. Мощность, поглощаемая в нагрузке, около 30% выходной мощности генератора. Это обеспечило защиту генератора по рассогласованию, выровняло распределение поля вдоль волновода и, соответственно, сделало менее критичным величину отводимого сигнала от места включения зонда.

Испытания установки показали, что излучающая система из четырех подвижных излучателей, отводящих из волновода 70% мощности генератора, обеспечивает перестройку фокуса поля излучения излучателей в цилиндрическом сосуде диаметром 2R = 150 мм с соленой водой в пределах круга поперечного сечения сосуда. Так в процессе перестройки фокуса из центра круга, когда распределение амплитуд сигнала между излучателями было равномерным, к его краю на расстоянии 0,6R от центра наряду с регулировкой фазы сигнала производилась и регулировка амплитуды сигнала на отдельных излучателях в пределах 10 дБ. Эта регулировка осуществлялась путем изменения коэффициента связи зондов с волноводом и точки их подключения. Расположение излучателей было симметричным для положения фокуса в центре круга поперечного сечения цилиндра. И секторным с углом 140^o при смещении точки фокуса на 0,6R. В первом случае распределение поля по излучателям было равноамплитудным, во втором нормированные значения амплитуд соответственно имели значения U₁ = 0,24; U₂ = 1; U₃ = 1; U₄ = 0,24.

Таким образом, проведенные испытания показали возможность локального нагрева объекта для гипертермического воздействия и перестройку положения фокуса электромагнитного излучения излучателей в области этого объекта. Соответственно, такое управление распределением электромагнитного поля СВЧ внутри объекта для гипертермического воздействия будет приводить по сравнению с прототипом к снижению травматичности соседних с точкой фокуса органов.

Формула изобретения

1. Способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии путем управления фазой электромагнитного сигнала генератора сверхвысокой частоты на входах отдельных излучателей, отличающийся тем, что регулируют амплитуду электромагнитного сигнала на соответствующем излучателе посредством изменения, в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, коэффициента связи электрического или магнитного зонда, связанного с соответствующим излучателем, посредством изменения глубины погружения зонда внутрь волновода в точке, отстоящей от соседних зондов на расстоянии d= n•λ/2±λ/2, где n= 1, 2, 3, . . . - целое число, λ - длина электромагнитной волны в волноводе, при этом величину коэффициента связи каждого зонда с волноводом изменяют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, а величину нагрузки волновода настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора сверхвысокой частоты.

2. Способ формирования распределения электромагнитного сигнала в системе излучателей для сверхвысокочастотной гипертермии путем управления фазой электромагнитного сигнала генератора сверхвысокой частоты на входах отдельных излучателей, отличающийся тем, что регулируют амплитуду электромагнитного сигнала на соответствующем излучателе посредством изменения, в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, коэффициента связи электрического или магнитного зонда, связанного с соответствующим излучателем, посредством изменения глубины погружения зонда внутрь волновода в точке, отстоящей от соседних зондов на расстоянии d= n•λ/2±λ/2, где n= 1, 2, 3, . . . - целое число, λ - длина электромагнитной волны в резонаторе, при этом величину коэффициента связи каждого зонда с резонатором изменяют в пределах от 0 до 100% отводимой от генератора сверхвысокой частоты мощности, а величину нагрузки резонатора настраивают на поглощение от 0 до 100% выходной мощности генератора сверхвысокой частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2