Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ ПАТОЛОГИЙ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОРГАНИЗМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к медицинской технике и может быть использована в урологии, гинекологии, проктологии и других направлениях медицины для лечения патологий, в том числе онкологических заболеваний.

Известен способ диагностирования и лечения областей патологически измененных участков за счет определения их температуры и регистрации ее градиента относительно нормальной температуры тела с последующим локальным температурным воздействием на выявленные области и устройство для его реализации в виде цилиндрического зонда, вдоль внешней поверхности которого установлены полупроводниковые термоэлектрические преобразователи и теплопередающие сегменты. Изменение температуры в зоне патологии обеспечивается изменением температуры воды в системе охлаждения, а контроль температуры - термоэлектрическими преобразователями (Патент РФ №2326628, МПК⁷ A61F 7/12, A61B 18/02, опубл. 20.06.2008).

Недостатками описанного способа являются, во-первых, возможность облучения только патологий, соизмеримых с размером отдельных теплопередающих сегментов устройства для обеспечения отсутствия воздействия на здоровые ткани. То есть применение этого способа и устройства очень ограничено, и, во-вторых, это техническое решение имеет такой существенный недостаток, как инерционность системы водяного охлаждения, что принципиально для предотвращения ожогов тканей. В-третьих, оно применимо только для облучения тепловым потоком.

Известен способ и устройство для рентгенотерапии, в соответствии с которым для облучения внутренних частей тела используется рентгеновская трубка, относящаяся к классу рентгеновских трубок с вынесенным прострельным анодом (Патент РФ №2155413, МПК⁷ H01J 35/08, A61N 5/10, опубл. 27.08.2000). Эти трубки наряду с рядом достоинств характеризуются малыми уровнями мощностей, что обусловлено, в основном, тонким (единицы микрон) слоем вольфрамовой прострельной мишени, сформированной на основе из бериллия или другого материала с малым атомным номером. Низкая мощность в этих трубках определяется низким уровнем тока, который не превышает единиц микроампер (не более 10 мкА, как в цитируемом патенте). Если учесть, что поглощенная доза облучения, определяющая эффективность лечения, пропорциональна току рентгеновской трубки и времени облучения, то становится очевиден принципиальный недостаток указанного способа и устройства - необходимость длительного облучения пациента. При этом в случае непрерывного облучения пациент не должен менять позы, чтобы не нарушить геометрию облучения (положение фокуса рентгеновской трубки относительно координат патологии). При прерывистом облучении при каждой последующей процедуре необходимо строго воспроизводить геометрию облучения, что чрезвычайно сложно, если вообще реализуемо. Кроме того, этот способ и устройство применимо только при использовании ионизирующего рентгеновского излучения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является способ облучения патологий человеческого организма, заключающийся в генерировании потока излучения источником ионизирующего излучения, воздействии излучением на патологию через выходное окно источника излучения и выдержке в течение заранее определенного времени с последующим охлаждением источника, и устройство, в котором для облучения внутренних частей тела в качестве источника ионизирующего излучения используется миниатюрная рентгеновская трубка (US Patent №5,090,043, МПК⁵ H01J 35/32, опубл. 18.02.1992). В соответствии с известным изобретением устройство представляет собой зонд, имеющий дистальный и проксимальный концы, с расположенным в нем источником излучения, включающим катод и анод, системой охлаждения анода и блоком электропитания.

Однако и это техническое решение обладает таким же принципиальным недостатком, как и предыдущее, а именно малыми токами рентгеновской трубки. В этом случае малые токи обусловлены применением рентгеновской трубки с автоэмиссионным (холодным) катодом, для которой и характерны токи такого же, как и в предыдущем патенте, уровня, а именно единицы (до 10) мкА.

В этом патенте отмечается возможность использования рентгеновских трубок и с термоэмиссионным катодом при наличии системы принудительного охлаждения.

Однако в этом патенте при указанных размерах колбы (длина от четверти до двух дюймов и диаметр менее одного дюйма) и расположении катода и анода относительно тела пациента обеспечить охлаждение катода, разогретого до температуры 2300°С, и неподвижного анода, фокус которого разогрет до температуры ≈2500°С, не представляется возможным для реально необходимого времени облучения (для среднего уровня необходимой поглощенной дозы в 2000 рад время облучения составляет от 1 часа до 3 часов). Кроме того, в описанном в этом патенте варианте с рентгеновской трубкой с термоэмиссионным катодом мишень, генерирующая рентгеновское излучение отдалена от патологии на расстояние больше радиуса колбы, включая толщину экранов и системы охлаждения. Если учесть, что интенсивность облучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от мишени до объекта, то можно заключить, что этот фактор дополняет основной недостаток данного технического решения, а именно низкую эффективность облучения. И, наконец, этот способ и устройство обладают принципиальным недостатком, а именно при его применении используется только ионизирующее облучение.

Современная онкология предъявляет повышенные требования к способам и устройствам для облучения патологий. В первую очередь, это касается необходимости облучения только патологий (опухолей), не затрагивая здоровых участков тела, и, во-вторых - снижение времени облучения, что косвенно согласуется с первым требованием и имеет самостоятельное значение для эффективности лечения, а также защиты персонала от переоблучения при подготовке прерывающихся (из-за малых токов и, как следствие, длительности разового воздействия) процедур. Такие требования обусловлены тем, что разовая доза на поле может составлять 400-600 Р, а курсовая доза 6000-8000 Р (С.К.Терновой, В.Е.Синицин, Лучевая диагностика и терапия, «ГЭОТАР-Медиа», 2010, Москва, стр.286-293. Лучевая терапия злокачественных опухолей, Руководство для врачей, Москва, «Медицина», 1996, стр.5-10. Аспекты клинической дозиметрии, под редакцией З.В.Ставицкого, Москва, «МНПИ», 2000, стр.27-41).

Из литературных источников известна также информация о том, что при последовательном использовании терапии ионизирующими излучениями и гипертермии (тепловом воздействии) эффективность лечения увеличивается в полтора раза (Van der Zee, J.D.Gonzalez, van Rhoon, et all.,2000, Comparison of Radiotherapy one with Radiotherapy plus Hyperthermia in locally advanced pelvic tumours. The Lancet, v.335, No 9210, p.p.1119-1125), а при одновременном проведении гипертермии и лучевой терапии эффективность лучевой терапии повышается дополнительно в 2,5-4 раза (Horsmann M.R., Overgaard J., The influence of nicotinamid and hyperthermia on the radiation response of tumor and normal tissue. Book of Abstracts, 15^th Annual Meeting ofESHO, Wadham Colledge, Oxford, U.K., 3-6 September 1995, p.12). Другие источники отмечают, что облучение электронами в сочетании с гамма-терапией (Интраоперационная электронная и дистанционная гамма-терапия злокачественных новообразований. Успехи современного естествознания, 2010, №2, стр.51-52) также дает существенное повышение эффективности лечения.

Таким образом, несмотря на то что совместное облучение ионизирующими и тепловыми потоками существенно повышает эффективность лечения онкологических заболеваний, такие облучения при сегодняшнем состоянии медицинской техники осуществляются различными источниками излучения, так как отсутствует оборудование для одновременного использования гипертермии и радиотерапии.

Перечисленные известные способы и устройства не могут в полной мере обеспечить отмеченные требования и рекомендации, главным образом, из-за ограниченности применения в гипертермии, низких значений интенсивности применяемых источников рентгеновского излучения и, что особенно важно, невозможностью комплексного одновременного теплового и лучевого (рентгеновского или электронного) облучения патологий.

Перед авторами стояла задача создания способа и устройства для его осуществления, которые бы обеспечивали облучение патологий при повышенных интенсивностях лучевого и/или теплового воздействия для повышения эффективности лечения при введении зонда с источниками излучения внутрь организма, снижения времени разового облучения в пределах допустимых лечебных требований, обеспечения последовательного или одновременного воздействия на патологии ионизирующими излучениями и тепловыми потоками.

Поставленная задача достигается тем, что в способе облучения патологий человеческого организма, заключающемся в генерировании потока излучения источником излучения, воздействии излучением на патологию через выходное окно источника излучения и выдержке в течение заранее определенного времени с последующим охлаждением источника, согласно изобретению на патологию воздействуют ионизирующим и/или тепловым излучением через выходное окно источника излучения, которое размещают вблизи или на поверхности патологии, поток излучения ограничивают в диаметре размером не более максимального размера патологии, энергию излучения выбирают в зависимости от толщины патологии по соотношению Е~Kf(d), где d - толщина патологии, К - коэффициент, учитывающий глубину проникновения излучения в зоне облучения тела пациента в зависимости от энергии излучения, а интенсивность охлаждения изменяют в зависимости от температуры выходного окна источника излучения.

При этом в качестве источника излучения можно использовать рентгеновскую трубку с термоэмиссионным катодом, анод которой совмещают с выходным окном источника излучения.

Материал анода и его толщину для облучения рентгеновскими и/или тепловыми потоками выбирают в зависимости от толщины патологии, но не менее длины свободного пробега электронов в выбранном материале.

Для облучения потоками электронов отдельно или в совокупности с тепловыми потоками анод выполняют из материала с низким атомным номером, при этом толщину анода выбирают не более длины свободного пробега электронов в выбранном материале.

Для облучения тепловыми потоками электрическое напряжение между анодом и катодом выбирают из условия превышения толщины анода длины свободного пробега электронов и гамма-квантов в выбранном материале анода при выбранном электрическом напряжении.

Последовательное облучение ионизирующим и тепловым излучением можно проводить, изменяя напряжения между катодом и анодом, при заданной толщине и выбранном материале анода, а одновременное облучение ионизирующим и тепловым излучением можно проводить, используя анод с переменной толщиной.

Кроме того, в качестве источника излучения можно использовать ускоритель электронов или бетатрон.

Также температуру выходного окна в процессе воздействия ионизирующим излучением поддерживают не более 38°С, а в процессе воздействия теплового излучения - не более 45°С.

Таким образом, изменяя напряжение между катодом и анодом, выбирая материал и толщину анода, применяя данный способ возможно с использованием одного устройства проводить облучение патологий отдельно рентгеновским излучением, потоком электронов, тепловым потоком или их комбинациями.

Для реализации описанного способа предложено устройство для облучения патологий человеческого организма, включающее зонд, имеющий дистальный и проксимальный концы, с расположенным в нем источником излучения, включающим катод и анод, состоящий из основы и мишени, систему охлаждения анода и блок электропитания, в котором зонд выполнен в виде, по меньшей мере, двух коаксиально установленных с зазором друг относительно друга тонкостенных трубок, в зазоре между которыми размещена система охлаждения с теплоносителем, внутри полости, образованной внутренней трубкой, дополнительно размещен катод, заключенный в слой электроизоляции, при этом анод размещен на дистальном конце зонда, а на внешней поверхности зонда установлен чехол, выполненный из электроизоляционного материала, совместимого с биологической тканью организма.

В другом варианте устройства для облучения патологий человеческого организма, включающего зонд, имеющий дистальный и проксимальный концы, с расположенными в нем катодом и анодом, состоящим из основы и мишени, систему охлаждения анода и блок электропитания, зонд выполнен в виде, по меньшей мере, двух коаксиально установленных с зазором друг относительно друга тонкостенных трубок, в зазоре между которыми размещен катод, заключенный в слой электроизоляции, внутри полости, образованной внутренней трубкой, размещена система охлаждения с теплоносителем, при этом анод размещен на дистальном конце зонда, а на внешней поверхности зонда установлен чехол, выполненный из электроизоляционного материала совместимого с биологической тканью организма.

Оба этих варианта могут быть выполнены с системой охлаждения с теплоносителем в виде замкнутого объема, представляющего собой тепловую трубу, в зоне испарения которой размещен анод, а зона конденсации с теплосъемником размещена на проксимальном конце зонда или с системой охлаждения с теплоносителем в виде контура с циркулирующим по нему теплоносителем. В качестве циркулирующего теплоносителя, в частности, может быть использован жидкий металл с температурой плавления ниже 37 градусов.

Для обоих вариантов устройства анод может быть выполнен в виде конуса, вершина которого обращена к потоку электронов, а мишень сформирована на конической поверхности, при этом, по меньшей мере, одна из поверхностей анода может быть выполнена профилированной.

Кроме того, мишень анода может изготавливаться из поликристаллического или монокристаллического молибдена или вольфрама или их сплавов с тугоплавкими металлами из ряда Re, Ta, Nb, Hf.

В частности, катод может изготавливаться в виде пластины из поликристаллического или монокристаллического молибдена или вольфрама или их сплавов с тугоплавкими металлами из ряда Та, Nb, Hf.

Катод также может выполняться в виде плоской спирали из поликристаллического или монокристаллического молибдена или вольфрама или их сплавов с тугоплавкими металлами из ряда Та, Nb, Hf. При этом на поверхности катода, обращенной к аноду, может быть сформирован слой углеродных нанотрубок.

Как вариант, на дистальном конце зонда перед анодом размещена диафрагма с различными по размеру и форме выходными отверстиями, а на проксимальном конце зонда может быть установлен узел осевого перемещения катода относительно анода. Кроме того, зонд может быть выполнен гибким.

Заявленный авторами способ облучения патологий и устройство для его осуществления позволяют существенно повысить эффективность лечения злокачественных и незлокачественных опухолей и других заболеваний, которые чувствительны к облучению ионизирующими и тепловыми излучениями. Это достигается главным образом за счет совместного и одновременного облучения различными потоками, а также повышением мощности источников рентгеновского излучения. Так, если в известных способах, как отмечалось, величина электрического тока составляет единицы (до 10) мкА, а мощность на уровне одного ватта, то предлагаемые способ и устройство позволяют повысить значения тока до десятков мА и мощность до 300 Вт. Это достигается особенностями процедур облучения, обеспечиваемых предлагаемым способом и конструкцией устройства, содержащего эффективную систему охлаждения мишени, разогреваемой тормозящимися электронами (более 95% кинетической энергии электронов переходит в тепло при торможении). Дополнительные преимущества дает использование монокристаллических или наноструктурированных сплавов вольфрама при изготовлении катода и анода, а также возможность изменения расстояния между анодом и катодом. Кроме того, возможность контроля температуры мишени позволяет оптимально планировать лечение и обезопасить пациента от ожогов. Несомненным достоинством заявляемых способа и устройства является также возможность проводить лечение патологий внутренних органов, не имеющих прямых полостей (например, желудка), используя изогнутый гибкий зонд.

Изобретение иллюстрируется фигурами графических изображений.

На фиг.1 представлена схема зонда с источником излучения в виде рентгеновской трубки в соответствии с первым вариантом изобретения.

На фиг.2 представлена схема зонда с источником излучения в виде рентгеновской трубки в соответствии со вторым вариантом изобретения.

На фиг.3 изображен зонд, введенный в естественную полость до контакта анода с патологией.

На фиг.4 представлены варианты конструкции анодов.

Зонд в соответствии с первым вариантом конструкции (как это изображено на фиг.1) выполнен в виде двух тонкостенных трубок - внешней 1 и внутренней 2, установленных с зазором коаксиально друг другу. В зазоре между трубками размещена система охлаждения 3 с теплоносителем. Внутри полости, образованной внутренней трубкой 2 размещен слой электроизоляции 4 с осевой полостью, внутрь которой помещен катод 5. Анод, состоящий из основы 6 и мишени 7, размещен на дистальном конце зонда 8. На внешней поверхности внешней трубки 1 установлен чехол 9, выполненный из материала, совместимого с биологической тканью организма, а на проксимальном конце зонда 10 размещен блок электропитания 11.

Зонд в соответствии со вторым вариантом конструкции (как это изображено на фиг.2) выполнен в виде двух тонкостенных трубок - внешней 1 и внутренней 2, установленных с зазором коаксиально друг другу. В зазоре между трубками помещен катод 5, заключенный в слой электроизоляции 4. Внутри полости, образованной внутренней трубкой 2, размещена система охлаждения 3 с теплоносителем. Анод, состоящий из основы 6 и мишени 7, размещен на дистальном конце зонда 8. На внешней поверхности внешней трубки 1 установлен чехол 9, выполненный из материала, совместимого с биологической тканью организма, а на проксимальном конце зонда 10 размещен блок электропитания 11.

На фиг.4 изображены варианты конструкции анода с основой 6, мишенью 7 и системой охлаждения 3.

Все элементы конструкции и их нумерация аналогичны изображенным на фиг.1 и фиг.2.

Пример осуществления.

Приводим один из вариантов исполнения устройства. Зонд выполнен в виде коаксиальных тонкостенных трубок, изготовленных из нержавеющей стали. На внешней поверхности зонда размещен чехол, выполненный из ситала, материала, совместимого с биологической тканью организма.

В зазоре коаксиальных трубок размещена тепловая труба, состоящая из графитовой плетенки - фитиля и теплоносителя, в качестве которого использована индий-галлиевая эвтектика с температурой плавления 30°С. На дистальном торце зонда, контактирующем с патологией, в зоне испарения тепловой трубы установлен анод, изготовленный из монокристаллического Мо в форме конуса. Катод выполнен в виде плоской кольцевой спирали, выполненной из монокристаллического сплава WTa толщиной 200 мкм. На тыльной стороне анода закреплена хромель-алюмелевая термопара. Внутри внутренней трубки размещена электроизоляция в виде трубки из оксида алюминия, а в ее полости проложены проводы, соединяющие катод и анод с блоком питания. Анод совмещен с выходным окном зонда и заземлен.

Способ облучения патологий с использованием этого устройства реализуется следующим образом. Зонд вводят в естественную полость (например, в прямую кишку) или послеоперационную полость (например, в молочную железу женщины после операции) до контакта анода с патологией. Фиксируют анод на патологии.

Включают источник излучения для генерирования ионизирующего излучения. С помощью диафрагмы поток излучения ограничивают в диаметре меньшем, чем максимальный размер патологии, который определен предварительным диагностированием, например с помощью компьютерной томографии. Энергию ионизирующего излучения (рентгеновского или электронного) выбирают в зависимости от толщины патологии. Для этого используют табличные значения глубины проникновения соответствующего ионизирующего излучения (рентгеновского или электронного) при различных электрических параметрах источника излучения (напряжения и тока) и коэффициента поглощения этого излучения в воде - имитаторе среды. При этом температуру выходного окна, контактирующего с патологией, регулируют изменением интенсивности системы охлаждения.

По достижении максимально допустимой температуры мишени анода (не выше 38°С) высокое напряжение отключают (вариант - автоматически). После снижения температуры до уровня 37°С высокое напряжение включают. Цикл повторяют до набора требуемой поглощенной дозы облучения в интервале 100-8000 рад.

В варианте использования ускорителя электронов анод с мишенью совмещают с выходным окном и устанавливают в торце полого зонда, контактирующего с патологией, при этом поток электронов пропускают через полый зонд и фокусируют на мишени.

Для одновременного облучения рентгеновскими лучами и тепловым потоком при заданном электрическом напряжении между катодом и анодом устанавливают анод с переменной толщиной. В этом случае в зоне утонения анода будут выходить рентгеновские лучи, а в утолщенной зоне будет происходить генерация теплового излучения за счет нагрева анода, вызванного торможением электронов.

При последовательном облучении изменяют напряжение между катодом и анодом при выбранном материале и форме анода.

Группа изобретений обеспечивает облучение патологий ионизирующим и/или тепловым воздействием повышенной интенсивности, позволяет осуществить последовательное или одновременное воздействие на патологии ионизирующим излучением и тепловыми потоками при помощи одного облучательного устройства, что позволяет значительно повысить эффективность лечения при введении зонда с источниками излучения внутрь организма, а также уменьшить время разового облучения.