Устройство для подвода тепла к ткани тела - RU2207089C2

Чертежи

Описание

Область изобретения
Изобретение относится к устройству для подвода тепла к тканям тела согласно преамбуле п.1 формулы изобретения.

При определенных видах состояний, вызванных заболеваниями, в которые вовлечены неестественные разрастания в тканях, обработка теплом дает хорошие результаты после обработки. Ткань нагревают до такой степени, что она отмирает. Примерами болезненных состояний этого вида являются определенные типы рака и доброкачественная гиперплазия простаты, ВРН (benign prostate hyperplasia). При обработке определенные участки ткани нагревают таким образом, что происходит отмирание этой ткани, в то время как другие участки этой ткани должно или следует защищать. Болезненные состояния, на которых прежде всего сосредоточено внимание, представляют собой состояния, которые имеют место в ткани, окружающей полости в теле. В качестве примеров, кроме приведенного выше, можно также упомянуть рак пищевода, трахеи, уретры и кишечника.

Соответствующие болезненные состояния могут также встречаться у животных, к которым можно применять подобное лечение. Наиболее актуальным может стать лечение домашних животных, таких как, например, собаки.

Уровень техники
Для производства тепла могут быть использованы различные устройства. Обычно используют лазерные, сверхвысокочастотные (СВЧ) и радиочастотные антенны. Известен также способ, при котором используется введение контейнера с жидкостью в полость тела. Эта жидкость распространяется по контейнеру таким образом, что достигается хороший контакт с окружающей тканью. Затем эту жидкость нагревают либо путем подвода теплой жидкости через систему циркуляции, либо путем подвода энергии к нагревательному устройству внутри контейнера, от которого тепло передается определенным образом к жидкости, а затем к ткани.

Поскольку объем ткани, которую следует обработать, изменяется так же, как и способность поглощать тепло в данной ткани и в прилежащей ткани, которую не будут обрабатывать, целесообразно, чтобы во время обработки осуществлялся непрерывный мониторинг. Когда выполняется обработка, происходит нагревание ткани. Для наилучшего результата обработки нагревание должно происходить в определенных температурных диапазонах. При очень высокой температуре в ткани происходит слишком большое повреждение, а при очень низкой температуре результат обработки не достигается.

Общеизвестно, что устройство для нагревания включает в себя определенную форму температурного датчика, который встроен в элемент, индуцирующий нагревание, для того, чтобы осуществлять мониторинг температуры в прилегающей ткани. Недостаток этой конструкции состоит в том, что температурный датчик дает информацию больше о температуре элемента, чем о температуре ткани.

Пример данного типа нагревательного устройства показан и описан в ЕР 0370890. Это устройство включает в себя катетер, содержащийся в СВЧ-антенне, которая предназначена для выделения радиочастотной энергии в ткань, окружающую эту антенну. Этот катетер также снабжен охлаждающим каналом для охлаждения ткани, которая расположена ближе всего к этому катетеру. В этом катетере расположен температурный преобразователь для считывания температуры катетера. Поэтому определяемая температура не соответствует температуре ткани, которая подвергается обработке.

Более усовершенствованный способ определения температуры показан и описан в PCT/SE96/00649. Для того, чтобы иметь возможность регистрировать увеличение температуры непосредственно в ткани, которую нужно обрабатывать, первый детектор температуры согласно PCT/SE96/00649 соединяют с первым несущим устройством. Несущее устройство выведено через канал в катетере, оно устроено таким образом, чтобы оно могло быть вытянуто через отверстие катетера. В это отверстие катетера соответствующим образом встроено устройство управления для несущего устройства таким образом, что это несущее устройство направляется в ткань под желаемым углом по отношению к катетеру. Обработку, осуществляемую вышеупомянутым СВЧ-устройством, часто называют ТУСВЧТ (трансуретральная СВЧ-термотерапия).

Либо несущее устройство, либо детектор температуры оборудован наконечником, который облегчает проникновение в ткань. Обычно этот детектор температуры может быть выполнен в виде резистивного преобразователя или полупроводника. Кабельная сеть, требующаяся для преобразователей данного типа, проведена через каналы в катетере. Если используется преобразователь оптического типа, то через канал в катетере проводят волоконный световод.

При использовании вышеописанных устройств, а также в соответствии с другими известными методиками лечащий врач обычно определяет продолжительность и температуру обработки. Несмотря на возможность проведения непрерывного определения температуры, существуют проблемы с получением удовлетворительных результатов обработки в течение процесса обработки, поскольку процесс лечения может длиться вплоть до нескольких недель или месяцев. Трудно также корректировать обработку в ходе процесса в соответствии с новыми условиями, например при боли, возникающей у пациента, а также оценивать, как вообще следует скорректировать обработку в соответствии с текущими физическими состояниями у пациента.

Краткое изложение сущности изобретения
Задачей изобретения является создание устройства для подвода тепла к ткани тела, при помощи которого упомянутые выше недостатки по существу устраняются. Данная задача в соответствии с изобретением решается посредством признаков, указанных в пп.1-10 формулы изобретения.

Согласно изобретению имеется также возможность заблаговременной корректировки подвода тепла различными путями, а также прогнозирования лучших результатов. Устройство согласно изобретению используется для того, чтобы рассчитать распределение температуры в простате в целом на основании информации о нем в определенных точках при измерении внутри простаты, а также информации о распределении поглощения энергии от источника энергии или тепла в ткани тела. Распределение температуры определяют на основании соотношения между температурой в ткани и поглощенной энергией, кровотоком и теплопроводностью. Количество ткани, разрушенной в определенные моменты времени в ходе воздействия, определяют посредством непрерывного измерения температуры и времени, в течение которого прикладывают тепло, и при непрерывном мониторинге распределения температуры относительно информации о выживаемости клеток, испытывающих тепловое воздействие.

В предпочтительном воплощении распределение температуры и разрушение ткани непрерывно представляется в виде изображения и текста на дисплее таким образом, что лечащий врач может постоянно получать информацию о текущих условиях. Тепло подводится к ткани до тех пор, пока участок ткани, который может быть приведен в порядок, не разрушается.

Дополнительные преимущества и конкретные признаки изобретения видны из последующего описания, графических материалов и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание графических материалов
Изобретение далее описано более детально с помощью примеров воплощений со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
фиг. 1 представляет собой изображение продольного разреза катетера для обработки, который может быть включен в состав устройства согласно воплощению изобретения;
фиг. 2 представляет собой принципиальную блок-схему, на которой показано устройство согласно воплощению изобретения.

Описание
Катетер для обработки 12 введен в уретру согласно фиг.1 таким образом, что наконечник 23 проникает в мочевой пузырь 28. Пузырь или баллон 29, соединенный с катетером для обработки, распределен внутри мочевого пузыря 28, он предохраняет от самопроизвольного выведения катетера для обработки в ходе процедуры. Активная часть катетера для обработки, таким образом, расположена в центре ткани, которую следует обрабатывать, в данном случае - простаты 31. Катетер для обработки 12 является пластичным и гибким, так чтобы его можно было ввести через уретру в место обработки.

На фиг. 1 показан контейнер 19, расширенный до своего рабочего объема посредством жидкости 20, которая подается в него под давлением. Контейнеру 19 может быть придана форма груши в продольном направлении катетера для обработки с более толстым участком в части, которая повернута по направлению к мочевому пузырю, или он может быть более симметричным в осевом направлении согласно воплощению, показанному на фиг. 1. Его вид соответствует форме уретры в данном участке или подогнан к ней. Контейнер 19 расположен на внешней стороне катетера для обработки и, соответственно, больший участок контейнера 19 расположен на нижней стороне этого катетера для обработки. При расширении контейнера 19 катетер для обработки поднимается выше, что в теле означает, что расстояние между нагревательным устройством 10, расположенным в контейнере 19, и прямой кишкой увеличивается. Жидкость 20 направляется через канал 22, сконструированный в виде трубки, которая проходит через катетер для обработки 12.

Для того, чтобы иметь возможность следить за развитием температуры в ткани во время тепловой обработки, на несущем устройстве 24 расположен первый температурный преобразователь 11. Несущее устройство 24 выполнено с возможностью его продвижения через канал или трубку 25, которая проходит через катетер для обработки. Несущее устройство 24 или температурный преобразователь 11 предпочтительно снабжены наконечником, который может проникать частично в мембрану или стенку в катетере для обработки и частично - в ткань. Трубка 25 выполнена таким образом, что несущее устройство 24 с температурным преобразователем 11 выступает из катетера для обработки под подходящим углом и может продолжаться на подходящее радиальное расстояние от этого катетера для обработки. Для достижения желаемого угла наклона температурного преобразователя 11 возможно также обеспечение наличия специального наклонного приспособления в концевой части трубки 25. Катетер для обработки 12 может также быть оборудован вторым температурным преобразователем 30. Информацию о температуре около контейнера 19 или в ткани, расположенной в абсолютной близости к катетеру для обработки 12, получают от второго температурного преобразователя 30. В воплощении согласно фиг.1 и 2 устройство согласно изобретению также оборудовано третьим температурным преобразователем 34. Третий температурный преобразователь 34 предпочтительно также расположен на несущем устройстве 24 между первым температурным преобразователем 10 и вторым температурным преобразователем 30 таким образом, что можно непрерывно определять температуру на определенном расстоянии от катетера для обработки 12.

В катетере для обработки также имеется канал для жидкости 26. Он открывается в баллон 29 и через него можно направлять жидкость для расширения баллона 29, когда катетер для обработки находится на месте. Канал для жидкости 26 используют также для опорожнения баллона 29 при окончании обработки и перед тем, как катетер для обработки удаляют из уретры. Для введения жидкости и для опорожнения баллона 29 предпочтительно используют стандартный шприц или подобный инструмент.

Питающий кабель 21, посредством которого нагревательное устройство 10 снабжается энергией, нагревается в результате потери тепла. Чтобы избежать повреждения ткани вне области обработки, например на сфинктере, который окружает уретру снаружи от простаты, питающий кабель 21 охлаждают. Это осуществляется путем снабжения катетера для обработки 12 охлаждающими каналами, предпочтительно вокруг питающего кабеля 21. В воплощении согласно изобретению охлаждающие каналы имеют ограничивающую стенку, к которой возвращается охлаждающая жидкость, циркулирующая в этих охлаждающих каналах. Таким способом избегают охлаждения самого нагревательного устройства 10, что в свою очередь означает, что мощность, которую нужно подавать от источника питания 13, может быть меньше. При более низких уровнях мощности снижается риск врачебной ошибки и повреждения здоровой ткани.

Нагревание ткани, таким образом, происходит частично на более близком расстоянии посредством нагревания жидкости, содержащейся в контейнере, который излучает тепло непосредственно в прилежащую ткань и частично на большем расстоянии посредством электромагнитного излучения. Общая площадь обработки больше, чем при обычном нагревании, что означает, что можно охватить большие участки ткани.

При высоких температурах в диапазоне 90-150^oС ткань также твердеет и образует струп. Этот струп может предотвратить или уменьшить проблемы, которые могут иметь место, если в связи с обработкой предстательная железа набухает. Поскольку самая высокая температура достигается в ткани, расположенной наиболее близко к контейнеру 19, то участок уретры, который проходит через простату в области обработки, будет поражен и поврежден в высокой степени. Однако данная часть уретры восстанавливается относительно быстро.

В предпочтительном воплощении нагревательное устройство 10 содержит СВЧ-антенну. Поскольку в области обработки уретра полностью заполнена и не остается свободного пространства, то подгонка этой СВЧ-антенны относительно ткани также будет очень хорошей. Жидкость в контейнере 19 выбирают таким образом, чтобы она обладала по существу или полностью такими же характеристиками, что и ткань простаты, в отношении распространения сверхвысоких частот. Согласование сопротивления между антенной и тканью, таким образом, также является очень хорошим, что упрощает соблюдение нужных размеров антенны и источника питания, а также облегчает регулирование СВЧ-мощности.

Когда обработка закончена, подвод энергии к нагревательному устройству 10 прерывают, а контейнер опорожняют и дают ему возможность вернуться к нормальной температуре тела. Не следует извлекать катетер для обработки до тех пор, пока контейнер имеет такую температуру, которая может вызвать повреждения при прохождении этого контейнера через тело. По этой причине мониторинг температуры контейнера 19 осуществляют непрерывно, чтобы извлечение катетера для обработки можно было произвести сразу же, как только будет достигнута желаемая температура.

В случаях обработки, включающей в себя простату или мочевой пузырь, в соответствии с чем катетер 12, имеющий наконечник, вводят в мочевой пузырь 28, дренаж мочи и, возможно, другой жидкости из мочевого пузыря можно осуществлять через дренажный канал, имеющийся в катетере 12. Этот дренажный канал проходит через весь катетер 12 и заканчивается отверстием 27 возле наконечника катетера 12. При определенных типах обработки может оказаться целесообразным оставить катетер 12 на месте в течение некоторого времени после обработки. Функцией дренажного канала является дренирование мочевого пузыря даже в течение этого времени.

Обработанная и мертвая ткань реабсорбируется или отторгается и выводится с мочой. Полость в простате, вызванная удалением ткани, гарантирует правильное прохождение мочи. Сначала эта полость имеет форму, которая соответствует форме контейнера 19 во время обработки.

В качестве дополнения к тепловой обработке или ее части согласно описанному выше в контейнер для жидкости 19 можно вводить некоторые формы лекарственных средств. Контейнер для жидкости 19 в таких случаях модифицируют таким образом, чтобы он обеспечивал возможность прохождения этого лекарственного средства. Предпочтительно контейнер для жидкости 19 выполняют таким образом, чтобы лекарственное средство могло диффундировать через стенку контейнера для жидкости 19, но возможно также обеспечение стенки фильтрационными каналами или тому подобным. Согласно одному из видов обработки в жидкость можно включать болеутоляющие средства. Можно даже использовать другие лекарственные средства, воздействующие непосредственно на обработку.

Согласно альтернативному воплощению контейнер для жидкости 19 не включают. В таком воплощении нагревание осуществляется непосредственно с помощью нагревательного устройства 10, которое в этом случае выполняется с возможностью излучения энергии, которая может поглощаться тканью. Предпочтительно нагревательным устройством 10, которое включает в себя антенну, обеспечивается СВЧ-излучение. Могут быть рассмотрены также лазеры и другие типы источников излучения.

На блок-схеме на фиг.2 схематически показаны различные функциональные блоки, которые могут быть включены в комплект для обработки с катетером для обработки согласно изобретению. Как было указано выше, нагревательное устройство 10 снабжается энергией от источника питания 13. Центральное устройство управления 14 соединено с возможностью взаимодействия с источником питания 13 и дисплеем 33 вместе с аппаратом для подвода жидкости 32. Устройство управления 14 дополнительно соединено с возможностью взаимодействия с устройством ввода, например, в виде клавиатуры 16. Устройство управления 14, клавиатура 16 и дисплей 33 могут также быть включены в стандартный компьютер с монитором и клавиатурой.

Для обработки посредством ТУСВЧТ и подобными ей способами обработки температура ткани определяется в наибольшей степени тремя различными процессами: 1) генерированием тепла путем поглощения СВЧ-энергии или другого источника излучаемой энергии, 2) распределением тепла в результате тепловой передачи в ткани и 3) потерей тепла в результате кровотока. Параметр 1) определяют с помощью катетера для обработки, используемого в данный момент, 2) может быть рассчитан, тогда как 3) зависит от пациента и является неизвестным. Зависимость задается известным уравнением для биологического тепла:

Поскольку можно принять, что СВЧ-поглощение является симметричным в радиальной ориентации, для числового решения уравнения 1 использовали цилиндрическую геометрию. Для решения использовали метод конечного дифференциала. Величину Q_s в уравнении 1 определяли с помощью удельной мощности поглощения (SAR, specific absorption rate, Вт/кг) в определенном катетере для обработки 12. Практическим путем для определения удельной мощности поглощения является помещение ТУСВЧТ катетера в тканеподобное тело, например, выполненное из материала ТХ-150, и измерение распределения температуры в этом теле после нагревания с выходной СВЧ-мощностью 50 Вт в течение 60 секунд. Один из путей измерения SAR детально описан в British Journal of Urology 78 (1996), р. 564-572.

В первом запоминающем устройстве 15 хранятся известные данные по выживаемости клеток при различных клеточных температурах при различной продолжительности обработки, например, в форме подходящих уравнений, таблиц данных и тому подобного. Первое запоминающее устройство 15 организовано таким образом, чтобы хранящиеся там данные дополнялись и, если необходимо, корректировались по мере того, как собираются новые результаты обработок. Повреждение ткани, вызванное обработкой, можно описать математически с помощью уравнения Аррениуса следующим образом:
Ω = AJe^-Ea/(RT)dt^{(уравнение2),}
где Ω представляет собой степень аккумулированного повреждения в течение времени обрабтки t, А представляет собой константу Аррениуса (3,1•10⁹⁸ с^-1), Е_а представляет собой энергию активации клеток (6,3•10⁶ Дж•моль^-1), R (Дж•моль^-1•К^-1) представляет собой универсальную газовую постоянную и Т (К) представляет собой температуру ткани. Принимают, что ткань разрушается при Ω≥1.
Приемлемым является отслеживание этих данных через определенные интервалы после обработки, например каждый месяц в течение определенного периода. В первом запоминающем устройстве 15 находятся сохраненные данные по кровотоку и другим факторам, которые влияют на поглощение тепла и рассеяние тепла в типе ткани, претерпевающем обработку. При точных данных возможно хранить информацию в запоминающем устройстве 15, что дает возможность создания модели ткани относительно факторов, указанных выше, которая является очень близкой к реальной ткани. Предпочтительно эти последние данные постоянно дополняют и корректируют даже после обработки.

Перед тепловой обработкой определяют текущие физические факторы, например размер простаты, степень сужения простаты и расстояние между простатой и прямой кишкой. Располагая информацией об этих условиях, определяют подходящий тип катетера для обработки и подходящую температуру для обработки. В месте проведения обработки, которое в соответствии с прежними устройствами являлось решающим фактором, определяют величину желаемого объема/массы ткани, которую нужно обрабатывать так, чтобы она разрушилась. Эта величина задается таким образом, чтобы она была доступна для устройства управления 14, например, путем ее введения в устройство ввода 16. Предпочтительно также задаются наивысшее значение для температуры или среднее значение для температуры обработки либо диапазон температуры. Устройство может быть также снабжено дополнительными запоминающими устройствами для сохранения подходящих комбинаций объем/масса и температуры обработки. В последнем случае нормальное значение для температуры обработки выбирается автоматически.

Располагая этими введенными данными, устройство управления 14 может начинать обработку путем подвода жидкости в контейнер 19, если используется этот тип катетера для обработки, а затем посылает контрольный сигнал к источнику питания 13, так что нагревательное устройство 10 начинает излучать энергию для нагревания ткани. Аппарат для подвода жидкости 32 используют, когда контейнер для жидкости 19 нужно наполнять и расширять. Устройство управления 14 может управлять наполнением, так что достигается соответствующее повышение давления и связанное с ним сжатие ткани простаты. Первый температурный преобразователь 11 и предпочтительно также второй температурный преобразователь 30 и третий температурный преобразователь 34 предоставляют непрерывную информацию, касающуюся текущей температуры обработки, как возле нагревательного устройства 10, так и на определенном расстоянии от него в обрабатываемой ткани.

Устройство управления 14 соединено с возможностью взаимодействия с температурным преобразователем 11, а предпочтительно также и с преобразователями 30 и 34, и может в зависимости от текущей температуры в области обработки управлять источником питания 13 таким образом, чтобы подходящая выходная мощность направлялась к нагревательному устройству 10. Посредством этого можно сильно поднять при хорошей степени надежности температуру в контейнере для жидкости 19 и, следовательно, в окружающей ткани, так что отмирание ткани происходит желаемым образом. Данные о температуре с температурных преобразователей 11 и 30 могут также непрерывно показываться на дисплее 33. С помощью устройства ввода 16 возможно также указывать подходящий уровень выходной мощности с нагревательного устройства 10 либо то, как ее можно регулировать с элемента питания 13. Уровень выходной мощности влияет на температуру, которая создается в ткани, и в определенных случаях может влиять на уровень боли, испытываемой пациентом.

Вычислительное устройство 17 непрерывно сравнивает данные с температурных преобразователей 11, 30 и 34 с данными, хранящимися в первом запоминающем устройстве 15, а устройство управления 14 посредством этого может непрерывно вычислять, как варьирует температура в ткани простаты на различных расстояниях от катетера для обработки 12. Таким путем, вычислительное устройство 17 может также непрерывно рассчитывать объем/массу ткани, которая уже обработана желаемым образом, и где в этой ткани достигнут желаемый результат этой обработки.

Информация, вычисленная таким путем, непрерывно посылается на дисплей 33, так что, кроме численных данных, касающихся обработанного объема/массы, лечащий врач имеет изображение того, как протекает обработка. Подходящий способ состоит в том, что на дисплее показывается схематическое изображение, подобное приведенному на фиг.1. Данные, касающиеся простаты, которая будет обрабатываться, подходящим образом собирают заранее, например, с помощью рентгена, ультразвука или MR, так что изображение, которое показывается на дисплее 33, находится в соответствии с действительными условиями. Изображение, соответствующее катетеру для обработки, который будет использоваться, предпочтительно накладывают на изображение ткани.

Температуру в различных участках ткани простаты непрерывно рассчитывают на основании измеренных температур, и текущая температура показывается на изображении простаты, например, посредством окрашивания в различные цвета. Одновременно показываются различные графики и/или таблицы, касающиеся температур, кровотоков и объема/массы обрабатываемой ткани. Лечащий врач может таким путем следить за обработкой и непрерывно получать указания о том, сколько ткани обработано и в каком месте простаты произошло отмирание ткани.

Таймер 18, соединенный с возможностью взаимодействия с устройством управления 14, непрерывно посылает информацию о времени, так что измеряемые данные соотносятся со временем обработки. Когда одно из значений для объема/массы обрабатываемой ткани, вычисленных вычислительным устройством 17, становится соответствующим установленному значению, обработка может быть автоматически прервана. Вместо этого с помощью аппарата дисплея или другого индикаторного устройства можно указывать, когда достигается установленное значение, так что лечащий врач может прервать подачу тепла. Соответствующее прерывание или указание может также производиться, если температура, измеренная или вычисленная в каком-либо участке ткани, превышает пороговое значение либо если другие введенные данные, такие как, например, температура в прямой кишке или в мочевом пузыре, указывают на риск для пациента.

Имеется также возможность непрерывно изменять некоторые установки в ходе обработки, например желаемую температуру обработки или подводимую СВЧ-мощность, не влияя на установленное значение для объема/массы или без необходимости его изменения. Вместо этого оказывается влияние на продолжительность обработки. При способе, описанном выше, продолжительность обработки может достаточно значительно варьировать в зависимости от физиологических различий и не влияет существенным образом на обработку по сравнению со способами обработки, применявшимися ранее.

Контейнер 19 является полностью закрытым и содержит определенный объем жидкости 20, имеющей подходящие характеристики для передачи тепла. Примерами такой жидкости являются силиконовое масло и вода. Контейнер 19 выполнен из эластичного силикона или другого материала с соответствующими характеристиками эластичности, например латекса. Таким же образом катетеры для обработки 12, а также баллон 29 могут быть выполнены из силикона или подобного материала.

Реферат

Устройство относится к медицинской технике, а именно к устройствам для проведения гипертермии. Устройство содержит нагревательное устройство (10) и первый температурный преобразователь (11), который можно ввести в ткань тела, причем это нагревательное устройство (10) соединено с источником питания (13), управляемым устройством управления (14) через катетер для обработки (12), который может быть введен в полость тела, а первый температурный преобразователь (11) соединен с возможностью взаимодействия с устройством управления (14). Устройство управления (14) соединено с возможностью взаимодействия с первым запоминающим устройством (15) для хранения данных, соответствующих выживанию клеток как функции клеточной температуры. Устройство ввода (16) соединено с возможностью взаимодействия с устройством управления (14) для того, чтобы вводить данные, такие как желаемые объем/масса ткани тела, к которой должно быть подведено тепло в таких пределах, чтобы клетки этой ткани погибли. Устройство управления (14) соединено с возможностью взаимодействия с вычислительным устройством (17) для определения объема и массы той ткани тела, чьи клетки погибли, как функции температуры в ткани на определенном расстоянии от нагревательного устройства (10). Использование устройства позволяет обеспечить предсказуемый эффект от теплового воздействия на ткань. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Формула