專利名稱:利用高頻電流的電介質(zhì)加熱生命體的方法和設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及一種利用電磁波及相關(guān)器件加熱生命體的方法和設(shè)備。
用電磁波加熱生命體的方法是利用施加到生命體上的電磁波在生命體內(nèi)各部分被吸收時會產(chǎn)生熱量這一現(xiàn)象，近年來已有許多這種方法對惡性腫瘤治療效果的研究報告。
在常規(guī)的高頻加熱方法中，把包括生命體待加熱部分在內(nèi)的區(qū)域放置在兩個相對的板狀電極之間，由一個高頻能源在這兩個電極間加上高頻電流，由此進行溫?zé)岑煼ā?br>如果待加熱部分位于生命體內(nèi)部深處，那么用這種方法將該部分加熱到治療所需要的溫度一直是很困難的，因為在兩個相對電極之間的區(qū)域中基本上都有同樣有高頻電流通過，從而使其中除待加熱部分外的其他部分也可能被加熱，并且因為皮下脂肪層和體內(nèi)器官組織間的電學(xué)常數(shù)(電導(dǎo)率，介電常數(shù))存在的差別，而使皮下脂肪層往往比體內(nèi)器官組織加烈得更加厲害，此外還因為皮下脂肪層中產(chǎn)生的熱量比電極附近部分中產(chǎn)生的熱量更多，而存在著病人抱怨對熱的不舒服感覺或者燒傷病人表皮組織的危險，等等。
鑒于上述這些因素，已提出一種利用二個電極結(jié)構(gòu)的方法，它們由第一個電極和第二個電極組成。第一個電極周圍是一個柔軟且密封的、由硅橡膠或類似物制得的袋狀部件，它有一個向袋狀部件內(nèi)供應(yīng)和從它向外排出冷卻液的機構(gòu)。把該第一個電極結(jié)構(gòu)(加熱電極結(jié)構(gòu))放在待加熱部分的附近，而把具有一個第二電極(不靈敏的電極結(jié)構(gòu))的第二個電極結(jié)構(gòu)放在人體的外圍，該電極的表面比第一個電極的大幾倍或更多些，在這兩個電極間提供一個高頻電流，由此在第一個電極結(jié)構(gòu)附近形成一個強電場分布，有選擇地加熱待加熱的部分，并根據(jù)由位于袋狀部件外表面處的溫度傳感器獲得的信息，來控制人體表面處的溫度，或者控制產(chǎn)生的高頻功率。
但是在上述方法中，例如在利用水作為冷卻液的場合，溫度傳感器給出的指示會受到冷卻用的冷卻液的溫度或其引入量的影響，這會導(dǎo)致不是所需要的過熱或過冷，因此不能保證有效地加熱疾患部分。
所以，目前一直強烈地希望能研究出一種方法和一種器件，它能夠加熱疾患部分而又不使病人感覺到熱或者痛苦，且在用電磁波對人體加熱的同時能進行定量的控制。
鑒于上述存在的情況，我們完成了本發(fā)明，其目的是提供一種加熱的方法和器件，它根據(jù)位于電極外表面處的溫度傳感器的信息能夠消除病人的熱和痛苦的感覺，也能夠進行安全而有效的人工加熱。
按照本發(fā)明，利用由高頻電流加熱人體的方法能夠達到上述目的，該方法包括在第一個電極和第二個電極之間提供高頻電流，安置在第一個電極結(jié)構(gòu)中的第一個電極適合于放置在待加熱部分附近，其周圍有一個柔軟而密封的袋狀部件，安置在第二個電極結(jié)構(gòu)中的第二個電極適合于放置在人體的外圍，其電極面積比第一個電極的大五倍或更多些，由此在第一個電極結(jié)構(gòu)附近形成一個比較強的電場分布，有選擇地加熱在第一個電極結(jié)構(gòu)周邊處的待加熱部分狂同時又通過向袋狀部件提供和從它排出冷卻液來冷卻放置第一個電極結(jié)構(gòu)處的那部份人體，向袋狀部件提供和從它排出的冷卻液的物理性質(zhì)與放置第一個電極結(jié)構(gòu)處那部分人體組織的物理性質(zhì)相近，在第一個電極結(jié)構(gòu)一側(cè)，冷卻液每分鐘循環(huán)的量是袋狀部件內(nèi)部體積的1～15倍。
下面參看附圖來詳細說明這些目的和其它目的，以及本發(fā)明的優(yōu)點。在附圖中，圖1和圖2是高頻加熱系統(tǒng)的概念的說明圖。
圖3是按照本發(fā)明設(shè)備的優(yōu)選的具體裝置的示意說明圖。
圖4是沿圖3中線Ⅳ-Ⅳ取的剖面的說明圖。
圖5是圖3中所示的第一個電極結(jié)構(gòu)的詳細說明圖。
圖6是沿圖5中線Ⅵ-Ⅵ取的剖面的說明圖。
圖7是袋狀部件縮時沿圖5中線Ⅶ-Ⅶ取的剖面圖。
圖8是圖3中所示的第二個電極結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖9是沿圖8中線Ⅸ-Ⅸ取的剖面的說明圖。
圖10和11是在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選裝置中時間和溫度指示之間關(guān)系的說明圖。
圖12和13是在一個作比較用的裝置中時間和溫度指示之間關(guān)系的說明圖。
在常規(guī)的高頻加熱方法中，例如圖1和2中所示的，為治療目的由人工引起的高熱是通過把包括人體1的待加熱部分作為靶子在內(nèi)的區(qū)域3放在兩塊相對的板狀電極4和5之間，并由一個高頻能源6在電極4和5之間加上一高頻電流來進行的。
如果待加熱部分2位于人體內(nèi)部深處，那么用這種方法將該部分加熱到治療所需要的溫度一直是很困難的，因為在兩個相對的電極之間的區(qū)域中基本都同樣有高頻電流流過，從而使其中除待加熱部分之外的其他部分也可能被加熱，因為皮下脂肪層7和體內(nèi)器官組織之間電學(xué)常數(shù)(電導(dǎo)率、介電常數(shù))存在的差別，而使皮下脂肪層往往比體內(nèi)器官組織加熱得更厲害，還因為皮下脂肪層中產(chǎn)生的熱量比較多，就存在著病人抱怨有熱的不舒服感覺或者燒傷病人表皮組織的危險等等。
本發(fā)明中所指出的第二個電極結(jié)構(gòu)(不靈敏的電極結(jié)構(gòu))就象日本專利申請公開號Sho60-55966中所揭示的電極結(jié)構(gòu)，它具有的第二個電極的電極表面積通常比第一個電極結(jié)構(gòu)(加熱電極結(jié)構(gòu))的第一個電極大5倍，最好大10倍或更多些，這樣當它與第一個電極結(jié)構(gòu)的第一個電極一起使用時，它對人體只有相當小的加熱效應(yīng)。第一個電極結(jié)構(gòu)(加熱電極結(jié)構(gòu))的大小使得它能放置在待加熱部分旁邊，例如象食道、胃、陰道等這樣的人體體內(nèi)器官部分中，或者放置在乳房疾患部分的表面，通過在裝入第一個電極結(jié)構(gòu)中的第一個電極和第二個電極結(jié)構(gòu)的第二個電極之間提供一個高頻電流，由此在第一個電極結(jié)構(gòu)附近形成一個強電場分布，這樣它能夠有選擇地加熱所希望的人體組織。
現(xiàn)在來說明其物理性質(zhì)與待加熱的人體組織的物理性質(zhì)相類似的冷卻液。
也就是說，如果在一對電極之間施加一個頻率為f的高頻電壓，而把一種介電常數(shù)為ε、損耗因子為tanδ的材料放在它們之間時，單位體積該材料所吸收的電功率P(W)由下式表示P＝K·f·E2·ε·tanδ (W) (1)式中E表示材料中的電場強度，K是比例常數(shù)。
當高頻電壓施加在面積較小的第一個電極(象體內(nèi)器官電極這樣的加熱電極)和面積較大的第二個電極(象體外電極這樣的不靈敏電極)之間時，在面積較小的第一個電極(加熱電極)周邊處電場強度較大，它隨著與第一個電極距離的增大而衰減。但是，由于場強度衰減的方式隨著電極的形狀和構(gòu)形以及放在電極間材料的物理性質(zhì)而有所不同，所以一般不能確定電場強度。不過，如果已知電極的形狀和構(gòu)形以及電極間材料的物理性質(zhì)，則能夠計算出電場強度。
假設(shè)在組成袋狀部件的薄膜外人體組織的介電常數(shù)是εT，損耗因子是tanδT，以及它鄰近處的電場強度是ET，則在那里所吸收的電功率PT表示為PT＝K·f·E2T·εT·tanδT另一方面，假設(shè)冷卻液中的電場強度、介電常數(shù)和損耗因子分別是E0、ε0、和δ0，則冷卻液中吸收的電功率表示為P0＝K·f·E20·ε0·tanδ0通過適當?shù)剡x擇冷卻液的介電常數(shù)ε0和功率損耗因子tanδ0能夠大體上使第一個電極結(jié)構(gòu)附近的人體組織中吸收的電功率PT等于冷卻液中吸收的電功率P0。
因此，本發(fā)明中的冷卻液是指這樣的冷卻液，它吸收的電功率基本上等于放置第一個電極結(jié)構(gòu)處那部分人體組織中吸收的電功率。
冷卻液的種類隨著作為靶子的不同的人體組織而稍有變化，例如可使用的冷卻液包括，在使用象氯化鉀和氯化鈉這類無機鹽的情況下，濃度為30mmol/升到160mmol/升的無機鹽水溶液，最好不超過120mmol/升，在使用象氯化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀、硫酸鈉和硫酸鉀這類無機鹽的情況下，為濃度在15mmol/升到80mmol/升之間的無機鹽水溶液。也可以根據(jù)需要把抗菌素或防腐劑加到如上所述的本發(fā)明的冷卻液中。此外，可以單獨使用一種無機鹽，或者使用兩種或兩種以上無機鹽的混合物。
下面來說明把冷卻液引入第一個電極結(jié)構(gòu)的袋狀部件以及通過它進行循環(huán)的方法。也就是說，把由上述式(1)給出的人體組織中吸收的電功率PT轉(zhuǎn)換成單位時間，單位體積的熱能(QP)，即l/J×Pt，由此轉(zhuǎn)換的一部分QB卡的熱能通過血液流動和熱傳導(dǎo)被擴散到該組織的周圍部分，因此引起該組織溫度增加△T。
它們兩者之間的關(guān)系可表示為QP-QB＝ρ·c△T (2)式中ρ是活體組織的密度，c是比熱。
現(xiàn)在選擇冷卻液的密度為(ρ)，比熱為(C)，使它們等于人體組織的相應(yīng)值，這樣，除去了由冷卻液循環(huán)帶走的相應(yīng)于QB的熱量，冷卻液的溫度的增加也調(diào)節(jié)為△T℃。
雖然為去掉熱量QB所需要冷卻液的引入量與其循環(huán)量隨放置電極結(jié)構(gòu)處那部分人體組織的種類和溫度條件而有所不同，但是通過使得把本發(fā)明的冷卻液引入至袋狀部件和進行循環(huán)的量基本上等于人體組織中的血液流動量能夠達到去掉如上所述的熱量QB。例如，在肌肉組織的情況下，人體組織中的血液流動量與溫度有關(guān)，其關(guān)系是在溫度為37℃時，每立方厘米人體組織的血液流動量大約是2ml/分而在溫度為40℃時其值約為7ml/分。通常在溫度從37℃到43℃時本發(fā)明中引入和循環(huán)的冷卻液是袋狀部件內(nèi)體積的1到15倍，此值接近于人體組織中的血液流動量。袋狀部件的內(nèi)部體積是指它被冷卻液擴張時所能達到的內(nèi)部體積。因為沒有發(fā)現(xiàn)在第二個電極結(jié)構(gòu)一側(cè)的人體組織有明顯的加熱，所以對第二個電極結(jié)構(gòu)而言，對其冷卻液的循環(huán)量和溫度沒有特別限制。
按照本發(fā)明的設(shè)備能用高頻加熱器件來實現(xiàn)，它使用一個已在日本專利申請公開號Sho 60-119962中發(fā)表的體內(nèi)器官電極器件作為第一個電極結(jié)構(gòu)，使用一個已在日本專利申請公開號Sho 60-55966中發(fā)表的醫(yī)學(xué)電極器件作為第二個電極結(jié)構(gòu)，其中使用的冷卻液的物理性質(zhì)與放置電極結(jié)構(gòu)處人體組織的相接近，而向袋狀部件提供和從它排出冷卻液的構(gòu)成方法使得每分鐘到第一個電極結(jié)構(gòu)的袋狀部件循環(huán)的冷卻液體積是該袋狀部件內(nèi)部體積的1至15倍。
下面，根據(jù)優(yōu)選的具體裝置利用附圖對于按照本發(fā)明的設(shè)備的第一個電極結(jié)構(gòu)和第二個電極結(jié)構(gòu)進行說明。
圖5到圖7給出第一個電極結(jié)構(gòu)4的細節(jié)。
在圖5到圖7中，是一個由硅橡膠制的雙通道軟管8，其中完整地形成一個冷卻液供應(yīng)通道9和一個冷卻液排出通道10。
在管8的端部，附加上一個柔軟的高頻電極11和一個柔軟的袋狀部件12，其大小使它不用擴張柔軟的袋狀部件就能與管狀體內(nèi)器官的內(nèi)壁相接觸。供應(yīng)和排出冷卻液用的接頭13和14分別完整地與冷卻液供應(yīng)通道9和排出通道10相連接。用一個粘接劑膠合接頭13和14分別與管8的連接處，外面再套上一個由硅酮制的可熱致收縮的管8a。
把作為第一個電極的高頻電極11同管8的外圓周相固定，它可以是金屬網(wǎng)、波紋管、螺旋狀部件或類似物，但它必須有柔軟性。形成電極11的軸向長度使它等于腫瘤疾患部分的長度。
將高頻引線15(例如，外徑1mm左右)與高頻電極11的底端固定連接。引線15沿著管8底部附近的雙通道管8的外圓周延伸，把用來與能源7連接的接頭17安裝在該引線的延伸端上。
把袋狀部件12制成圓柱形，其大小和形狀相應(yīng)于把它放在疾患部分附近的管狀體內(nèi)器官的大小和形狀，而且如果需要的話，相應(yīng)于被腫瘤弄窄的那部分的大小和形狀。袋狀部件12直徑減小的兩端18和19與管8的外圓周相固定，由此把電極11包圍在內(nèi)。
例如，在把第一個電極結(jié)構(gòu)4用于食道的場合，所使用的袋狀部件12的外徑是5～25毫米，最度是30～100毫米。在把第一個電極結(jié)構(gòu)4插入器官的場合，如圖7中所示，袋狀部件12被弄扁了，這時最好把它折起來，如圖7中剖視線所示。
最好用由硅橡膠制的模具管或球來使袋狀部件12成型。
作溫度檢測工具用的銅-康銅熱電偶22，23，24，25和26具有熱接觸點22a，23a，24a，25a和26a，用膠合劑把熱電偶22，23，24，25和26固定在袋狀部件12的外表面，使得在袋狀部件12被冷卻液擴張時，它們能與器官壁緊密接觸。
把引線22b，23b，24b，25b和26b同高頻引線15及位于管8中心部分外圓周上的袋狀部件12的底端18借助于不與引線15相交的由硅銅制作的熱致收縮軟管固定在一起。
熱電偶的引線22b，23b，24b，25b和26b的接頭28包括一個10頭針型插座30和一個10頭針型插頭32，前者與引線22b，23b，24b，25b和26b及接到帽蓋部分的按鈕相固定連接，后者可從固定在管8圓周上的插座30取下，并用引線31將之與測量溫度用的伏特表相連接。
冷卻液排出孔33與管8中形成的冷卻液排出通道10相連通，冷卻液供應(yīng)孔20與管8中形成的冷卻液供應(yīng)通道9相連通，配置頂端部分39用于導(dǎo)引第一個電極結(jié)構(gòu)插入到器官內(nèi)部，冷卻液供應(yīng)管的接頭34與裝有流量控制儀表的泵35相連接，再接到裝有溫度控制儀表的冷卻器36上。接頭34的構(gòu)成方式使得它可拆卸地裝在接頭13上。接頭37的構(gòu)成方式使得它拆卸地裝在接頭14上，并能使冷卻液由排出管38排出或把冷卻液送回到泵35。
圖8和9表示按照本發(fā)明的第二個電極結(jié)構(gòu)5。在圖8和9中，基板43包括一個涂有硅酮樹脂的尼龍織物。在圖中，畫出了由薄銅板制的電極44，彈性硅橡膠片45，與高頻能源一端(未畫出)相連接的引線46，以及作為冷卻液48的供應(yīng)管和排出管的硅酮管47。由虛陰影線所示的區(qū)域49規(guī)定了基板43和硅橡膠片45相膠合的部分，以形成在管47，47之間沿一個方向的冷卻液流動通道50。
圖9是在供應(yīng)冷卻液48時沿著圖8中線Ⅸ-Ⅸ取的剖面圖，其中使圖9的上側(cè)與人體表面緊密接觸。在前面，用硅橡膠片45和基板43構(gòu)成袋狀部件45a。
通過一固定工具和硅橡膠片45膨脹之間的相互作用，可以讓第二個電極部件5與人體有良好的接觸。
在按照本發(fā)明用高頻加熱器件加熱疾患部分的情況下，基本上消除了在第一個電極結(jié)構(gòu)袋狀部件中的冷卻液和與該袋狀部件外表面相接觸的人體組織之間的溫度差。所以，按照本發(fā)明，根據(jù)位于第一個電極結(jié)構(gòu)袋狀部件外表面的溫度傳感器的指示，能夠精確地監(jiān)控人體組織處的溫度，而與高頻功率的大小無關(guān)，這樣就能安全地對待加熱部分如治療目的進行人工過熱加熱。
現(xiàn)在用一個例子來比較詳細地描述本發(fā)明。
分別用粘接劑把溫度傳感器A和溫度傳感器B固定在第一個電極結(jié)構(gòu)袋狀部件的中心部分的外表面及內(nèi)表面，其中由硅橡膠制成直徑為15毫米、長為80毫米的袋狀部件包有一直徑為8毫米的螺旋形電極，且把第一個電極結(jié)構(gòu)插入食道中。
另一方面，把一個其冷卻液通道配置在120毫米寬×430毫米長銅板上的第二個電極結(jié)構(gòu)放在與食道相對的胸部。
用濃度為70mmol/升的鹽水作冷卻液，控制第一個電極結(jié)構(gòu)入口處冷卻液的溫度是37℃，調(diào)節(jié)其循環(huán)流動速率q為50ml/分。由于袋狀部件中冷卻液占有的體積大約是10ml，每內(nèi)部體積的循環(huán)量是(每分鐘)q/V＝5次/分。
在第一個電極和第二個電極之間提供的13.5MHz的高頻電流的功率是100W和150W，對于圖10和11所示的這兩種情形，由傳感器A和B所示的溫度差不超過0.5℃。
為比較起見，在圖12和13中給出在如上所述相同的條件下，對于使用蒸餾水作為冷卻液的情況，由傳感器A和B給出的溫度測量結(jié)果。在這幾個圖中符號o和口分別表示傳感器A和B給出的指示溫度。
在蒸餾水作冷卻液的供比較用的例子中，能夠看到傳感器A和B之間的溫度差明顯地大于按照本發(fā)明的這個例子的相應(yīng)值。
權(quán)利要求
1.在第一個電極和第二個電極之間提供高頻電流的一種高頻加熱方法，該第一個電極裝在第一個電極結(jié)構(gòu)中，且使它適合于放置在待加熱部分附近，而且它周圍是一個柔軟而密封的袋狀部件；該第二個電極裝在第二個電極結(jié)構(gòu)中，且使它適合于放置在生命體的外圍，它的電極面積比所述第一個電極的大5倍或更多些，由此在所述第一個電極結(jié)構(gòu)附近形成一個比較強的電場分布，有選擇地加熱第一個電極周邊處的所述部分，同時通過向所述袋狀部件內(nèi)提供和從它排出冷卻液來冷卻放置所述第一個電極結(jié)構(gòu)處的那部分生命體，向袋狀部件提供和從它排出的冷卻液的物理性質(zhì)與放置所述第一個電極結(jié)構(gòu)處那部分生命體組織的物理性質(zhì)相近，在所述第一個電極結(jié)構(gòu)的一側(cè)，冷卻液每分鐘的循環(huán)量是所述袋狀部件內(nèi)部體積的1～15倍。
2.權(quán)利要求
1中規(guī)定的一種方法，其中用來循環(huán)的冷卻液是濃度從15mmol/升到160mmol/升的無機鹽水溶液。
3.權(quán)利要求
1或2中規(guī)定的一種方法，其中引入袋狀部件內(nèi)的冷卻液的溫度在37℃到43℃之間。
4.一種高頻加熱設(shè)備包括一種適合于放置在待加熱部分附近的第一個電極結(jié)構(gòu)，它有一個第一個電極，一個圍繞該第一個電極的第一個柔軟而密封的袋狀部件和一個向該第一個袋狀部件提供及從它排出冷卻液的機構(gòu);一種第二個電極結(jié)構(gòu)，它適合于放置在生命體的外圍以及在與所述第一個電極一起使用時能有選擇地加熱該第一個電極結(jié)構(gòu)周邊處的所述部分，它有一個第二個電極，其電極面積比所述第一個電極的面積大5倍或者更多些，一個圍繞該第二個電極的第二個柔軟而密封的袋狀部件和一個向該第二個袋狀部件內(nèi)提供及從它排出冷卻液的機構(gòu);一種與所述的第一個電極和第二個電極相連接、用來向它們提供高頻電流的高頻能源;此外還包含有控制冷卻液的溫度和流動速率的儀表，其中冷卻液的物理性質(zhì)與放置第一個電極結(jié)構(gòu)處那部分生命體組織的相接近，冷卻液到第一個電極結(jié)構(gòu)每分鐘的循環(huán)量是所述第一個袋狀部件內(nèi)部體積的1到15倍。
5.權(quán)利要求
4中規(guī)定的一種設(shè)備，其中冷卻液是濃度在15mmol/升到160mmol/升之間的無機鹽水溶液。
6.權(quán)利要求
5中規(guī)定的一種設(shè)備，其中冷卻液的比熱基本上等于放置第一個電極結(jié)構(gòu)處那部分生命體組織的比熱。
專利摘要
在第一電極和第二電極間提供高頻電流的高頻加熱方法。該第一電極裝在第一電極結(jié)構(gòu)內(nèi)，其構(gòu)成使它能置于待加熱部分附近，它周圍有一柔軟而密封的袋狀件，該第二電極裝在第二電極結(jié)構(gòu)內(nèi)，其構(gòu)成使它能置于人體的外圍，其電極面積比第一電極的大5倍或更多，由此在第一電極結(jié)構(gòu)附近形成一個較強的場分布，而且有選擇地加熱第一電極結(jié)構(gòu)周邊處的待加熱部分，其中向袋狀部件提供和從它排出的冷卻液溫度在37℃～43℃之間。
文檔編號A61N1/06GK87104889SQ87104889
公開日1988年2月3日 申請日期1987年7月16日
發(fā)明者十川, 暎小沼忠, 吉原淳, 北川清, 小野寺誓 申請人:吳羽化學(xué)工業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan