Основные типы аппликаторов для Локальной Гипертермии

По методам подвода ЭМ-энергии к нагреваемому объему ткани различают два типа аппликаторов:

Различные типы аппликаторов применяемых в установках Яхта

Отличительной чертой всех разновидностей гипертермических аппликаторов от обычных излучающих антенн является то обстоятельство, что взаимодействие ЭМ-полей с тканями происходит в ближней зоне излучаемого ЭМ-поля.
В данной статье мы остановимся лишь на рассмотрении наружных аппликаторов, наиболее распространенных в клинической практике.
По принципу формирования ближней зоны ЭМ-поля аппликаторы можно разделить на три основных типа:

Исторически первыми наружными аппликаторами были запитываемые коаксиальным кабелем бесконтактные рупорные излучатели, имевшие на выходе согласующие коаксиально-волноводные устройства различных модификаций. Число этих модификаций, улучшающих характеристики аппликаторов, чрезвычайно велико. Несмотря на то, что этот тип аппликаторов еще и сегодня остается наиболее распространенным, мы не будем останавливаться на анализе их характеристик в силу присущего им основного недостатка — чрезвычайной громоздкости, которая оказывается особенно неприемлемой в наиболее перспективном для целей глубокой ЛГ и РГ в дециметровом и метровом диапазонах длин волн.

Индуктивные аппликаторы в виде плоской спирали, расположенной параллельно нагреваемой поверхности, широко используются в диатермии и в начальный период применялись в гипертермии. Однако они обладают существенным недостатком:
в центре спирали электрическое поле принципиально стремится к нулю, что приводит к большой неоднородности распределения ЭМ-поля в тканях, и следовательно, к большому перепаду температуры в нагреваемом объеме. Предложенная двойная спираль с противофазными токами существенно улучшила характеристики индуктивного аппликатора. Тем не менее, наилучшие результаты были получены в рамочном индуктивном аппликаторе, отличающемся тем, что индуктивная петля (рамка) расположена перпендикулярно поверхности нагреваемого объема и представляет собой широкую медную ленту (рис.1). Для настройки высокочастотного контура аппликатора на заданную резонансную частоту последовательно с индуктивностью включается емкость. Этот тип аппликаторов оказался особенно эффективен в УВЧ-и ВЧ-диапазонах частот. Разработанный на частоту 40,68 МГц аппликатор, получивший название
РИА-40 (рамочный индуктивный аппликатор на диапазон 40 МГц), позволяет получить глубокий терапевтический прогрев до 10 см, а при использовании двух аппликаторов с соответствующей фазировкой тока (рис.1) может обеспечить региональный нагрев. Контакт между аппликатором и нагреваемой тканью осуществляется через встроенный в аппликатор водяной болюс с проточной водой, обеспечивающей охлаждение кожного покрова.


Рис.1.
Схема индуктивных рамочных аппликаторов РИА-40 и их расположение при двухстороннем нагреве фантома:
1 — зона терапевтического нагрева, 2 — рамочные излучатели


Достоинством аппликатора РИА-40, как и всех индуктивных аппликаторов, является независимость интенсивности нагрева от диэлектрических характеристик нагреваемых тканей, что исключает перегрев жирового слоя, характерный для емкостных излучателей. Недостаток этого аппликатора заключается в нелинейной поляризации ЭМ-поля, затрудняющей измерение температуры термодатчиками, основанными на термоэлектрических явлениях, а также в относительно большой величине полей рассеивания.
Существует еще один тип индуктивного аппликатора, использующий тот же эффект индуктивной рамки, перпендикулярной облучаемой поверхности, выполнен в другом конструктивном варианте, что позволило резко снизить интенсивность полей рассеивания и перейти в более высокочастотный диапазон — 434 МГц. Авторы назвали его CSA - Current Sheet Applicator (аппликатор "токовый лист"). Этот тип аппликатора имеет высокие энергетические характеристики и признан одним из перспективных типов аппликаторов для приповерхностной и умеренно глубокой гипертермии. Однако созданные к настоящему времени его разновидности имеют небольшую апертуру (примерно 5х6 см) и для нагрева больших объемов необходимо сложение колебаний нескольких аппликаторов с определенным фазовым сдвигом между ними [ibid], что, естественно, создает неудобство при его применении в клинике. Указанный недостаток (малая апертура) устранен в разработанном типе микрополоскового индуктивного излучателя.
Электроды антенны образованы тонкой медной фольгой толщиной 35 мкм, пространство между электродами заполнено фторопластом толщиной 1,5 мм. С нагреваемым участком тела излучатели плотно соприкасаются через эластичную силиконовую оболочку (рис.2), встроенную в аппликатор, внутри которой циркулирует вода с температурой, обеспечивающей заданный режим нагрева на требуемой глубине и, в то же время, предохраняющей кожу от ожога. Естественно, что, варьируя температуру охлаждающей воды, необходимо соответственно изменять подводимую к аппликатору СВЧ-мощность, которая, как правило, находится в пределах 50...200 Вт. Вода выполняет также функцию согласующей среды между излучателем и нагреваемыми тканями. Оптимальная для нагрева конфигурация ЭМ-поля и максимальный КПД излучателей этих типов подбирается размерами и формой излучающих электродов и положением точки полсоединения питающего коаксиального кабеля.

Рис.2.
Элементы аппликатора.
конструкция КГМА: 1 —микрополосковый излучатель, 2 – силиконовый корпус, 3 -- вода. 4 - тонкая силиконовая оболочка

Разработанные микрополосковые аппликаторы были названы нами КГМА - контактные гибкие микрополосковые аппликаторы (в английской транскрипции CFMA — Contact Flexible Microstrip Applicator).
На рис.3 приведены эпюры распределения квадрата электрической составляющей ЭМ-поля Е в ближней зоне одного из типов аппликаторов КГМА, рассчитанного на частоту 434 МГц.

Рис.3.
Распределение относительной УМП, создаваемое аппликатором типа КГМА-ЗН в плоском фантоме биологической ткани

Изменение распределения температуры по поверхности имитатора однородной мышечной ткани практически совпадает с эпюрой Е. Изменение температуры по глубине при отсутствии охлаждения в однородном имитаторе мышцы имеет экспоненциальный характер. При охлаждении поверхности нагреваемого участка имитатора водой, протекающей за контактной мембраной аппликатора, максимум температуры сдвигается в глубь тканей. Варьируя температуру охлаждающей воды и излучаемую мощность, можно перемещать (в некоторых пределах) максимум температуры по глубине.
Используя аппликаторы КГМА, можно решить еще одну чрезвычайно важную задачу. Их конструкция, обеспечивающая гибкость аппликатора, позволяет охватывать цилиндрические части тела. Возникающий при этом эффект квазиоптической фокусировки ЭМ-поля дает возможность при работе на частоте 434 МГц создать терапевтический нагрев на глубинах до 8 см (рис.4), что особенно важно для таких тяжелых форм онкологических заболеваний, как остеогенные саркомы. Конфигурация КГМА в таком положении схематически показана на рис.5.
Рабочая частота аппликаторов типа КГМА определяется резонансной частотой микрополоскового 1/4-волнового резонатора и не зависит от размеров апертуры, что позволило создать серию аппликаторов этого типа, работающих на частотах 915 и 434 МГц, перекрывающих площади эффективного нагрева (ПЭН) от 2 до 300...400 см" при ТТН до 5...8 см. Их характеристики для частоты 434 МГц приведены в табл.1.



Рис.4.
Распределение относительной УПМ, создаваемое конформно охватывающим фантом аппликатором типа КГМА, по глубине фантома: 1 – R = бесконечность, 2 – R = 8 см, 3 – R = 5 cм: R - радиус фантома

Рис.5.
Схема КГМА в охватывающем фантом положении:
1- излучающий микрополосковый электрод, 2- силиконовая оболочка, 3 - нагреваемый объем,
4-согласующее устройство, 5- коаксиальный разъем. 6 - охлаждающая вода

Табл.1. Параметры аппликаторов типа КГМА (СFМА), частота 434 МГц
Тип КГМА
Апертура, см
ПЭН, см2
Коэффициент однородности
(КО)
Масса, кг
15х16
8х12
(0,32)0
0,35
30х22
22х20
(0.38)0
0,80
21х20
12х18
(0.34)0
0.50
21х30
12х28
(0,40)0
0,75

Примечание. КО в английской транскрипции НС (Homogeneity Coefficient).Как следует из табл.1, аппликаторы типа КГМА отличаются большим интервалом значении ПЭН, высоким КО (обычно значения этого коэффициента лежат в пределах 0,2...0,3) и чрезвычайно малой массой по сравнении с рупорными аппликаторами. Кроме того, высокая степень поляризации электрической составляющей излучаемого ЭМ-поля обеспечивает возможность измерения температуры термоэлектрическими датчиками без их паразитного нагрева ЭМ-полем.

Емкостные аппликаторы нашли применение в гипертермии в широком диапазоне частот — от 915 до 8 МГц. Их отличает высокая концентрация ЭМ-поля в зоне нагрева, конструктивная простота и удобство применения. Однако известные их типы обладают принципиальным недостатком, обусловленным конфигурацией электрического поля в конденсаторе с традиционным расположением электродов (рис.6), при которой электрическая составляющая ЭМ - поля перпендикулярна поверхности нагреваемого объема.



Рис.6.
Емкостной излучатель и эпюра выделяемой энергии в жире и мышцах


Это ведет к тому, что приповерхностная жировая прослойка сильно перегревается, так как выделяемая в ней энергия в 7 — 10 раз больше, чем в мышцах где епсилон м и епсилон ж - диэлектрические проницаемости мышечной и жировой ткани, соответственно. Для устранения этого перегрева вводится интенсивное охлаждение нагреваемой поверхности, однако оно не позволяет устранить указанный принципиальный недостаток полностью, так как из-за плохой теплопроводности жировой ткани водяное охлаждение оказывается эффективным лишь на глубину примерно 1 см. При большей толщине жировой ткани (что является скорее правилом, чем исключением) избежать ожогов не удается.
Решением проблемы стала разработка конструкции емкостного аппликатора, при которой разнополярные кольцевые или плоские электроды располагаются в одной плоскости копланарно (рис.7). При таком расположении электродов и большой части зоны нагрева вектор электрического поля параллелен границам раздел а тканей и Еж ˜ Ем . Соответственно тепловыделение в жировой ткани, пропорциональное сигма Е2 оказывается при этом существенно меньше, чем в мышечной. Емкостные копланарные аппликаторы с плоскими электродами позволяют при водяном охлаждении поверхности тканей прогревать большие массивы при значительной толщине жирового слоя без его перегрева. Они особенно эффективны в ВЧ- и УВЧ-диапазонах частот. Аппликаторы типа КГМА-40 обеспечивают ГТН до 10 см в УВЧ-диапазоне (40 МГц). При использовании двух когерентно работающих аппликаторов КГМА-40, расположенных с двух сторон нагреваемого объема, ГТН может быть значительно увеличена при том же значение суммарной УВЧ-мощности, подводимой к обоим аппликаторам.
Так же, как аппликаторы КГМА, работающие в СВЧ-диапазоне, аппликаторы КГМА-40 обладают уникальной способностью охватывать цилиндрические или полуцилиндрические участки тела. Их также отличает небольшие массы (до 1,5 кг), и объем, составляющий 20х30х1,5 см (0,9 дм3), тогда как обычно применяемые в этом диапазоне рупорные (или волноводные с диэлектрическим наполнителем) аппликаторы имеют массу более 10 кг на объем, равный 5...15 дм3.



Рис.7.
Схема емкостных копланарных излучателей и конфигурации напряженности электрического поля:
а) кольцевой излучатель; б) плоский излучатель

Особенности общей ЭМ-гипертериии

Применяемые в настоящее время контактные и радиационные методы ОГ имеют ряд недостатков.
Напомним основные из них:
при контактном кондуктивном методе — неизбежный перегрев кожного покрова, следствием чего является длительный период достижения заданного температурного режима; большая инерционность управления температурным режимом;
при ОРГ - энергетическая перегрузка приповерхностных тканей и невозможность прямого доступа к пациенту во время процедуры ОРГ.
При разработке ЭМ-метода ОГ мы исходили из того, что ЭМ-энергия должна выделяться (и поглощаться) непосредственно в основном массиве тканей всего организма по всей его глубине. Очевидно, что этой цели можно достигнуть, применяя в качестве источника ЭМ-энергии относительно низкие частоты ЭМ-колебаний, эффективно проникающих на всю глубину тела человека, в частности частоту 13,56 МГц.
Сначала был выбран индуктивный метод нагрева, поскольку он обеспечивает отсутствие перегрева жировых тканей при гипертермической процедуре. Однако первые же опыты показали, что при этом возникает другое осложнение: из-за большой величины поверхностных токов при индуктивном нагреве, замыкающихся по поверхности всего тела, происходит интенсивный перегрев в «узкостях»: в подмышечной впадине и в паховой области; кроме того, ограничивается свободный доступ к пациенту во время процедуры.
Решение было найдено после разработки рассмотренного выше емкостного копланарного излучателя. Тщательные экспериментальные исследования позволили определить закономерности, связывающие размер электродов излучателя с поперечным сечением нагреваемого объема. На этом основании были выбраны оптимальные размеры пластин электродов и их месторасположение относительно тела пациента. Для увеличения эффективности нагрева копланарный емкостной излучатель включают в резонансный контур, настроенный на частоту 13,56 МГц. Пациент во время сеанса ОГ располагается на матрасе, представляющем собой наполненную проточной водой силиконовую оболочку. Она служит ДВУМ целям: охлаждению кожного покрова спины и согласованию емкостного аппликатора с нагрузкой. Регулируя температуру воды, можно регулировать интенсивность охлаждения. Интенсивность нагрева регулируется уровнем подводимой к излучателю ВЧ-мощности.
Электромагнитная энергия, подводимая к телу аппликатором. нагревает основную массу крови в туловище до требуемой температуры обычно 41...43°С в зависимости от целей гипертермической процедуры, а КТ обеспечивает распространение тепла по всему телу, включая конечности. Высокая эффективность энергопередачи (КПД преобразования ЭМ ВЧ-колебаний в тепло > 85%) позволяет производить процедуру ОГ при малом уровне мощности (обычно 700 Вт) без дополнительной теплоизолирующей кабины, пациента достаточно укрыть обычным одеялом.
Тем самым разработанный метод общей ЭМ-гипертермии обеспечивает свободный доступ к пациенту при проведении процедуры и создает уникальную возможность проведения одновременно ЛГ и ОГ. Тем самым создается уникальная возможность обеспечения во всем теле средствами ОГ температуры 42°С, являющейся оптимальной для действии химиотерапевтических противоопухолевых препаратов. подавляющих клетки метастаз, и одновременный перегрев первичной опухоли дополнительными локальными аппликаторами до температур, вызывающих деструкцию опухолевых клеток. При этом создается и возможность минимизации пространственного градиента температур, являющегося одним из основных факторов болевых синдромов.

 


Аппликаторы изготавливаемые и поставляемые под "заказ"

Предприятие разрабатывает и изготавливает различного типа аппликаторы под "заказ" для внутреннего и внешнего рынка.
Ниже приведен пример 12-ти позиционного аппликатора изготовленного для клиники Daniel den Hoed Cancer Center, Dept. Radiotherapy, Postbus 5201, 3008 AE Rotterdam в Нидерландах:

12-ти позиционный аппликатор

Цены на аппликаторы оговаривается при заключения договора поставки.