излучатель свч-энергии для нагрева тканей тела человека

Формула изобретения

Излучатель сверхвысокочастотных электромагнитных волн для гипертермии, включающий четвертьволновый резонатор на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, состоящий из диэлектрической подложки, экранного проводника, излучающего проводника и входного коаксиального разъема, отличающийся тем, что входной коаксиальный разъем расположен за пределами зоны тепловыделения электромагнитного излучения излучающего проводника и радиационного поля источника -излучения и подключен к излучающему проводнику и экранному проводнику микрополосковой линии посредством Г-образного фильтра, включающего полосковую линию запитки в точке запитки четвертьволнового резонатора и емкость.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к гипертермии злокачественных новообразований.

Высокие показатели смертности от злокачественных новообразований и связанные с этим значительные социально-экономические потери позволяют обоснованно рассматривать борьбу со злокачественными новообразованиями как общемировую проблему первостепенной важности.

Несмотря на то что в последние годы достигнут известный прогресс в выявлении злокачественных опухолей на ранней стадии их развития, а терапевтические возможности современных противоопухолевых воздействий неуклонно совершенствуются, результаты лечения онкологических больных до сих пор далеки от желаемых.

Способы радикального и паллиативного лечения злокачественных опухолей могут быть условно разделены на 3 основные группы:

1) противоопухолевые воздействия местно-регионального типа - хирургическое лечение, лучевая терапия, сюда же могут быть отнесены перфузии противоопухолевых препаратов;

2) противоопухолевые воздействия общего типа - системная химиотерапия, гормонотерапия;

3) вспомогательные или опосредованные противоопухолевые воздействия - иммунотерапия, обменно-метаболическая реабилитация, применение модифицирующих (т.е. увеличивающих эффективность основного действующего агента) факторов.

До сих пор ни один из способов лечения онкологических больных, несмотря на постоянное их совершенствование, не может удовлетворить требованиям клинической практики. Каждому методу свойственны свои достоинства и недостатки. Поэтому для лечения многих злокачественных опухолей все чаще применяется комплексное лечение, т.е. последовательное или одновременное применение нескольких методов в расчете на синергетический эффект увеличения результатов противоопухолевого действия.

Несомненный интерес в этом плане представляет сочетание радио- и химиотерапии с модифицирующим фактором - гипертермией (нагревом опухоли до температур вплоть до 44°С и выше).

Гипертермия, с одной стороны, существенно увеличивает чувствительность раковых клеток к ионизирующему облучению и ряду противоопухолевых лекарственных средств, а с другой, - при температурах выше 43°С происходит и собственно тепловое необратимое повреждение раковых клеток [1, 2, 3]. Вследствие сочетания этих двух факторов среди различных методов повышения эффективности радио- и химиотерапии, разработанных к настоящему времени и применяемых в медицине, гипертермия является одним из наиболее перспективных модификаторов, особенно при лечении радиорезистентных опухолей [1, 2, 3, 4].

Наиболее эффективным и потому, в основном, применяемым в клинической практике способом нагрева опухолевых тканей является их облучение электромагнитными колебаниями ВЧ- и СВЧ-диапазона частот.

Электромагнитные (ЭМ) колебания предпочтительны, по сравнению с другими физическими методами создания повышенной температуры в определенном объеме тела, благодаря непосредственному поглощению электромагнитной энергии не только в поверхностных, но и в глубоко расположенных биологических тканях. Поэтому рост температуры на глубине тканей происходит не только вследствие передачи тепла от поверхности вовнутрь за счет теплопроводности, но и, в основном, вследствие преобразования энергии ЭМ волн в тепло непосредственно в каждой точке облучаемого объема. Это позволяет снять проблему тепловой перегрузки (ожогов) кожного покрова путем его охлаждения и в то же время обеспечить создание гипертермического режима в опухолевых тканях на уровне 42-44°С.

Для лечения онкологических заболеваний методом гипертермии используются специальные гипертермические установки, в том числе отечественные - "Яхта-3", "Яхта-4", "Яхта-5". Все эти установки отличаются друг от друга рабочей частотой, выходной мощностью генератора и конструкцией излучателя. В отечественных установках используются оригинальные излучатели (пат. SU 1804793, 1993 г.).

Установлено, что при последовательном сочетании гипертермии и лучевой терапии эффективность последней увеличивается в среднем в 1,5 раза. Этот эффект подтвержден в многочисленных международных рандомизированных исследованиях, проведенных в Беларуси, России, США, Германии, Италии, Англии, Нидерландах, Франции и др. [4, 5, 6, 7].

Полученные результаты достигнуты с применением существующих к настоящему времени техники и методики проведения гипертермии и лучевой терапии, допускающих только последовательное применение процедур облучения и нагрева. В то же время имеется информация, полученная в эксперименте, что при одновременном их проведении эффективность лучевой терапии повышается дополнительно в 2,5-4 раза [8].

Последние данные радиобиологии также подтверждают, что при одновременном воздействии радиации и нагрева (ОВРН) в клинической практике может быть получено существенное увеличение эффективности радиотерапии. Это утверждение основано на том факте, что при умеренной гипертермии (около 40°С) кровоток в опухоли ускоряется, что, в свою очередь, сопровождается увеличением концентрации кислорода в опухолевых клетках [14] и, соответственно, увеличением чувствительности раковых клеток к повреждающему воздействию ионизирующей радиации. Этот эффект исчезает при прекращении нагрева и уровень pO₂ возвращается к своему первоначальному значению [13]. Соответственно, интенсивность радиационного повреждения клеток за счет кислородного эффекта оказывается максимальной при одновременном воздействии радиации и тепла [2, 3, 13].

Существенно, что в сочетании с ОВРН можно использовать режим гипертермии на уровне 42,5-44°С, ведущий к термическим летальным повреждениям опухолевых клеток и торможению репарации сублетальных радиационных повреждений [2, 3]. В частности, это может быть дополнительная (после ОВРН) гипертермия, но уже в привычных условиях (вне источника ионизирующего излучения) и в более высоком температурном режиме - до 44°С. Такой новый комбинированный режим терморадиотерапии позволит достичь максимального противоопухолевого эффекта и существенно сократить время всей процедуры.

В клинике метод одновременного воздействия радиации и нагрева аппаратурно опробован лишь для лечения онкологических заболеваний прямой кишки и в гинекологии при многочасовом воздействии гипертермии в условиях брахитерапии - непрерывной контактной низкоинтенсивной ионизирующей радиации [9, 10]. Однако особенности этой аппаратуры, апробированной в клинике, ограничивают область ее применения, позволяя облучать только вагинальные и ректальные злокачественные новообразования.

Делаются попытки распространить этот успешный опыт применения радиации в условиях гипертермии опухоли в наиболее широко применяемой дистанционной радиотерапии, использующей высокоинтенсивные потоки ионизирующей радиации в десятки Гр [11, 12]. Однако длительность гипертермической стадии одновременной терморадиационной процедуры в этих работах составляет 60-70 мин, что неприемлемо для клиники ввиду высокой стоимости времени эксплуатации радиационного оборудования. Кроме того, примененное в этих экспериментах гипертермическое оборудование, в том числе излучатели, с одной стороны, в силу своей чрезвычайной сложности, неприемлемо в широкой клинической практике, а с другой стороны, использованная техника существенно снижает (более чем на 25%) интенсивность радиации за счет радиационных потерь, вносимых излучающими ЭМ энергию излучателями и компенсирующими устройствами [ibid]. К тому же вносимые этими излучателями радиационные потери неоднородны по облучаемому полю. Существенно, что примененный тип излучателей принципиально не может быть улучшен с точки зрения вносимых радиационных потерь и их однородности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту относится излучатель СВЧ электромагнитных волн для гипертермии, представляющий собой четвертьволновый резонатор на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, состоящий из диэлектрической подложки, экранного проводника, излучающего проводника и входного коаксиального разъема, внутренний контакт которого подсоединен к излучающему проводнику, а наружный контакт - к экранному проводнику микрополосковой линии (авт. св. №1246452). Однако несмотря на положительные результаты известное устройство не позволяет проводить электромагнитную гипертермию опухоли излучателем данного типа и одновременно сквозь него проводить дистанционную -терапию опухоли.

Задачей настоящего изобретения является создание излучателя СВЧ-энергии, позволяющего одновременно воздействовать на опухоль -лучами и электромагнитными полями в различных температурных, временных и дозовых режимах.

Поставленная цель может быть достигнута, если для гипертермии использовать излучатель сверхвысокочастотных электромагнитных волн для гипертермии, включающий четвертьволновый резонатор на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, состоящий из диэлектрической подложки, экранного проводника, излучающего проводника и входного коаксиального разъема, при этом входной коаксиальный разъем расположен за пределами зоны тепловыделения электромагнитного излучения излучающего проводника и радиационного поля источника -излучения и подключен к излучающему проводнику и экранному проводнику микрополосковой линии посредством Г-образного фильтра, включающего полосковую линию запитки в точке запитки четвертьволнового резонатора и емкость.

Излучатель состоит (см. фиг.1 и 2) из четвертьволнового резонатора на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, включающего диэлектрическую подложку - 1, экранный проводник - 2, равный размерам подложки, излучающий проводник - 3, соединенный с экранным проводником закороткой - 4; Г-образный фильтр, включающий полосковую линию запитки 9 резонатора в точки 8, емкость 5; входной коаксиальный разъем - 6; проводник - 7, обеспечивающий симметрию излучателя, выравнивая пространственные сопротивления. При этом малая толщина проводников излучателя обеспечивает малое поглощение -излучения.

СВЧ-энергия, поступающая в излучатель через разъем 6 и Г-образный фильтр, служащий для согласования сопротивлений подводящей входной линии передачи с входным сопротивлением четвертьволнового резонатора, возбуждает колебания в подложке четвертьволнового резонатора, образованного проводниками 2, 3 и 4. При этом излучатель может быть представлен в виде планарного диполя над проводящим объемом нагреваемого тела. На открытом конце проводника 3 возникает краевое поле стоячей волны резонатора, которое возбуждает электромагнитные волны в эквивалентных линиях передачи между 3 и биологической тканью и между 7 и биологической тканью (фиг.2), распространяющиеся в направлении концов проводников 3 и 7, после отражения от краев которых формируются стоячие волны, которые образуют требуемый профиль электромагнитного поля в биологической ткани.

Излучатель контактирует с нагреваемым участком биологической ткани через диэлектрический силиконовый болюс, заполненный проточной дистиллированной водой для охлаждения поверхностных слоев тканей. Длина излучающего проводника 3 равна четверти длины электромагнитной волны в диэлектрической подложке 1. Ширина излучающего проводника 3 определяется требуемым углом обхвата биологического объекта. Размеры экранного проводника 2 и диэлектрической подложки 1 определяются из условий согласования излучателя с источником СВЧ-энергии. Входной коаксиальный разъем 6 расположен за пределами зоны тепловыделения (электромагнитного излучения) и радиационного поля. Г-образный фильтр предназначен для согласования сопротивлений подводящей входной линии передачи с волновым сопротивлением в точке запитки (8) четвертьволнового резонатора и позволяет расширить частотную полосу и обеспечить согласование антенны с различными видами тканей, имеющих различные величины диэлектрической проницаемости.

Таким образом, предлагаемый излучатель, внося малое и однородное поглощение -излучение по всей апертуре, позволяет повысить эффективность лечения больных со злокачественными новообразованиями, используя метод одновременного воздействия радиотерапии и нагрева в клинической практике.

Результат использования заявляемого устройства.

Применена методика с использованием заявляемого излучателя для одновременного лучевого воздействия и электромагнитной локальной гипертермии (ГТ) 434 МГц опухоли. Для этого использованы крысы с карциномой Герена (масса крысы 150-175 г, объем опухоли 0,8-1,0 см³). Продолжительность ГТ - 45 мин (43°С под ложем опухоли), облучение начиналось в момент выхода температуры опухоли на плато - 43°С (в преобладающем большинстве случаев - на 15-й мин после начала нагрева). Применена однократная доза - 5 Гр или 10 Гр, величина поглощенной дозы - 1,23 Гр/мин.

Определена эффективность терморадиотерапии (ТРТ) по следующей схеме: ГТ (43°С, 45 мин) + облучение (5 Гр или 10 Гр, одна фракция, 8 и 14 крыс в подгруппах соответственно). Контролем служил следующий режим ТРТ: облучение (5 Гр и 10 Гр, одна фракция, 5 и 7 крыс в подгруппах соответственно) и через 1,5 часа ГТ (43°С, 45 мин). Результаты представлены в Таблице.

Таблица Результаты терморадиотерапии крыс с карциномой Герена
Воздействие (однократное)	Торможение роста опухоли(%)	Количество крыс с полной регрессией опухоли (%)	Количество излеченных крыс (%)
ГТ, 43°С, 45 мин + одновременное облучение, 5 Гр	60	35	Наблюдение
Облучение, 5 Гр, через 1,5 часа ГТ, 43°С, 45 мин	50	25	Наблюдение
ГТ, 43°С, 45 мин + одновременное облучение, 10 Гр	80	45	30
Облучение,10 Гр, через 1,5 часа ГТ, 43°С, 45 мин	60	30	20
Выводы: полученные результаты указывают на более выраженный противоопухолевый эффект одновременного облучения и нагрева опухоли.

Литература

1. Александров Н.Н., Савченко Н.Е., Фрадкин С.З., Жаврид Э.А., 1980, Применение гипертермии и гипергликемии в лечении злокачественных опухолей, "Медицина", М.

2. Overgaard. Y., 1989, The current and potential role of HT in radiotherapy. Int. J. Rad. Oncol. Biology. Physics, V.16, 538-549.

3. Field, S.B., & Hand J.W., editors, 1990, An Introduction to the Practical Aspects of Clinical Hyperthermia, Taylor & Francis, London-New-York.

4. Vemon С., J. Hand, S. Field et al., 1996, Radiotherapy with and without hyperthermia in the treat ment of superficial localized breast cancer: results from five randomized control trials, Int. J. Radiation Oncology, Biology, Physics, v.35, No.4, 731-744.

5. Sherar M., F.F.Liu, M.Pintilie et al., 1997, Relationship between thermal dose and outcome in thermoradiotherapy treatments for superficial recurrences of breast cancer: data from a phase III trial. Int. J. Radiation Oncology, Biology, Physics, v.39, No.2, 371-380.

6. Proceeding of the Int. Congress on Hyperthermia Oncology, 1996, v.1, 2. Tor Vergata University of Roma, Roma, Italy.

7. Мавричев А.С., 1996, Почечно-клеточный рак, Бел. ЦНМИ, Минск.

8. Horsmann M.R., Overgaard J., 1995, The influence of nicotinamid and hyperthermia on the radiation responce of tumor and normal tissues. Book of Abstracts, 15^th Annual Meeting of ESHO, Wadham College, Oxford, UK. 3-6 September 1995, p.12.

9. Виноградов Л.И. и др. Патент РФ RU 2029575 приоритет 15.04.93 г.

10. Diederich C.J., Stauffer P.R., Khalil J.S. et al., 1996. Direct-coupled interstitial ultrasound applicators for simultaneous thermobrachytherapy: a feasibility Study, Int. J. Hyperthermia, v.12, No.3, p.401-410.

11. Moros E.G., W.L. Straube, E.E. Klein et al., 1995, Clinical system for simultaneous external superficial microwave hyperthermia and Co-60 radiation. Int. J. of Hyperthermia, v.11, No.1, 11-12.

12. Straube W.L., E.G. Moros et al., 1996, A US (ultrasound) System for Simultaneous US Hyperthermia and Photon Beam Irradiation, Int. Joum. Radiation Oncology, Biology, Physics, v.36, No.5, 1189-1200.

13. Horsmann, M. R., and Overgaard, J., 1997, Can mild hyperthermia improve tumor oxygenation? International Journal of Hyperthermia, 13, No.2, p.p.141-148.

14. Vaupel P., 1994 Blood Flow, Oxigenation and Bioenergetic Status of Tumours, Ernst Schering Research Foundation, Berlin.