DE1112593B - HF-Strahler fuer Diathermie- und Therapiezwecke - Google Patents

Description

INTERNAT. KL. H 05 g

DEUTSCHES

PATENTAMT

P23884Vnic/21g

ANMELDETAG: 14. NOVEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 10. A U G U S T 1961

Die Erfindung betrifft einen HF-Strahler mit Hohlraumresonator für Diathermie- und Therapiezwecke zur Bestrahlung kleiner Körperflächen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Resonanzraum von einemMikrowellengenerator zu Schwingungen anzuregen. Hierbei wird eine Abstrahlung für Therapiezwecke dadurch erreicht, daß die Wände des Raumes durch einen Schlitz besonderer Formgebung quer zu den Oberflächenströmen im Resonator unterbrechen werden. Das quer zu den Schlitzen stehende Wechselfeld regt die äußere Umgebung zu Schwingungen an, d. h., die Schlitze strahlen die,gewünschte Energie ab. Durch entsprechende Ausbildung des Resonanzraumes und der Abstrahlschütze kann eine gute und gleichmäßige Nahfeldverteilung erreicht werden.

Es wäre auch möglich, das Magnetfeld, welches den an der Innenseite der Resonatorwände verlaufenden Oberflächenströmen entspricht, in die Umgebung austreten zu lassen. Das Wechselfeld würde dort eine abstrahlende Welle anregen. Dies könnte konstruktiv dadurch erreicht werden, daß Teile der Resonatorwand bis auf einzelne Stege entfernt werden, die in Richtung der ursprünglichen Oberflächenströme liegen. Über sie würde zusätzlich der Strom fließen, der vorher durch die ausgesparten Wandflächen verlief.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen HF-Strahler der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem für das ganze interessierende Frequenzband, z. B. 2400 bis 2450MHz, im wesentlichen die gesamte eingespeiste Energie abgestrahlt wird, unter Berücksichtigung der den Körperteilen unterschiedlichen Absorptionseigenschaften, die einer unterschiedlichen Lastankopplung an den Strahler gleichzusetzen sind.

Der neue HF-Strahler mit Hohlraumresonator ist dadurch gekennzeichnet, daß ein durch ein Ankoppelelement angeregter Hohlraumleiter an der einen Stirnseite eine Blende besitzt, deren kapazitiv und induktiv belastende Querschnittsverengungen in der y-Richtung und in der jc-Richtung einen H-förmigen Schlitz bilden und so bemessen sind, daß bei der Betriebsfrequenz die Blende in Resonanz ist, während die Lage des bei der Betriebsfrequenz ebenfalls in Resonanz befindlichen Ankoppelelements zum Hohlraumleiter-Kurzschluß durch die Art der Ankopplung bestimmt ist.

Mit dem HF-Strahler, der in seinen Abmessungen kleiner gehalten werden kann, als es der verwendeten Wellenlänge entsprechen würde, können bei sehr guter Anpassung über einen größeren Frequenzbereich HF-Strahler für Diathermie- und Therapiezwecke

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G.m.b.H., Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Dipl.-Ing. Fritz Pötzl, Hamburg, ist als Erfinder genannt worden

relativ kleine Körperflächen wirkungsvoll bestrahlt werden.

An Hand der Figuren der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 a ein Ausführungsbeispiel des neuen HF-Strahlers in Draufsicht,

Fig. Ib ein Koordinatenschema, Fig. 2 eine Blendenform,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Blendenform,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des HF-Strahlers im Querschnitt,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 in Draufsicht,

Fig. 6 bis 9 Blendenformen.

Zwischen dem bei 1 anzuschließenden Energiezuführungskabel und dem eigentlichen Abstrahlelement 2 des HF-Strahlers ist gemäß Fig. 1 a ein Hohlraumresonator 3 zwischengeschaltet. Er stellt für die Mikrowellenenergie ein Durchgangselement dar und hat als solches auf die breitbandige Anpassung der Gesamtanordnung entscheidenden Einfluß, wie noch näher erläutert wird. Konstruktiv dient der Hohlraumresonator 3 zur Befestigung des Kabelsteckers 1, des Abstrahlelements 2, z. B. einer Schlitzblende, und der dielektrischen Abdeckplatte 4 (Fig. 4) für die Schlitzblende.

Ein hinreichender Energiedurchgang, d. h. ein angepaßtes Durchgangselement, wird für den Resonator 3 nur dann erreicht, wenn sich die Resonanzfre-

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quenz der Gesamtanordnung in der Nähe der Be- was in Fig. 3 angedeutet ist. Hierbei bedeutet L_n die triebsfrequenz befindet und diese innerhalb der Hohlrauminduktivität, definiert durch die Stromver-Bandbreite des Strahlers liegt. Eine hinreichende teilung auf den Wänden. C_n ist die durch das E-FeId Breitbandigkeit wiederum wird durch entsprechende im Resonator definierte Hohlraumkapazität. R_n ist der Ausbildung der Ankopplung und der Abstrahlele- 5 Hohlraumverlustwiderstand, der durch die Stromvermente erzielt. Wenn der Resonator 3 möglichst klein luste in den Wänden bedingt ist, L_K stellt die Koppgehalten werden soll, empfiehlt sich die Verwendung lungsinduktivität dar, die durch die Stromverteilung eines quaderförmigen Hohlraumes, z. B. ein Stück längs des Koppelstiftes definiert ist. C_K bedeutet die eines Rechteckhohlleiters, wie in Fig. 1 a angedeutet. Kopplungskapazität, d. h. die Stiftkapazität gegen die Ein solcher Resonator ist bei gleicher Resonanz- io Resonatorwände, R^ wird als Kopplungsverlustwiderfrequenz kleiner als etwa ein zylindrischer Resonanz- stand angenommen, der durch die Stromverluste im kreis. Stift und eventuell durch die dielektrischen Verluste

Von den in einem quaderförmigen Raum mög- in der Stiftumhüllung gegeben ist.
liehen Feldverteilungen (=Moden) ergibt die H₁₀₁- Bisher wurde der Resonanzraum als Endbelastung Mode (bei Vertauschung der Seiten b und c, E₁₁₀- 15 eines Mikrowellengenerators betrachtet, und es waren Mode [s. Fig. 1 a]) bei einer bestimmten Betriebsfre- keine Abstrahlelemente vorgesehen. Wenn eine der quenz die kleinsten geometrischen Abmessungen. Ein beiden Wände parallel zur x-y-Ebene (Fig. Ib) voll-Raum, der in dieser Mode schwingt, weist längs der ständig fehlt, wird die Mikrowellenenergie vom ko-Λ-Richtung eine Halbperiode, längs der y-Richtung axialen Zuführungskabel in einen einseitig kurzkeine und längs der z-Richtung wiederum eine 20 geschlossenen Rechteckhohlleiter übergekoppelt und Halbperiode in der Feldstärkeverteilung auf (vgl. verläßt diesen teilweise an seinem offenen Ende als Fig. Ib). Die Feldstärkekomponenten entsprechen Strahlung. Statt eines stehenden Wechselfeldes im hierbei bestimmten Beziehungen, auf die jedoch nicht Resonator wird der Hohlleiter nun von einer fortnäher zum Verständnis der Erfindung eingegangen zu schreitenden Welle durchlaufen, die vom Koppelstift 5 werden braucht. 25 angeregt wird. Der Feldlinienverlauf kann ebenfalls

Die Anregung von Schwingungen in einem Reso- bestimmt werden. Während das pulsierende Wechselnanzraum durch einen koaxialen Kabelanschluß kann feld im Hohlraumresonator jedoch örtlich stehen bekanntlich mittels einer Schleife oder eines Stiftes bleibt, stellen die Bilder für die fortschreitende Hohlerfolgen. Während die Nebenkapazitäten einer Schleife leiterwelle gleichsam eine Momentaufnahme (einer meist so gering sind, daß die induktive Kopplung 30 Halbperiode in der z-Richtung) dar. Diese Feldverteiüberwiegt, kann ein Stift je nach Länge und Stärke lung durchläuft den Hohlleiter mit einer bestimmten bevorzugt kapazitiv oder induktiv koppeln. Er stellt Phasengeschwindigkeit.

ersatzbildmäßig einen Serienkreis dar. Durch die Um für die eingespeiste Energie im Übergang Ko-

Längsströme kann eine Induktivität definiert werden. axialleitung/Hohlleiter breitbandigen reflexionsarmen

Die elektrischen Feldlinien vom Stift zu den um- 35 Durchgang zu ermöglichen, ist außer der Stiftausbil-

liegenden Resonatorwänden, besonders zur gegen- dung jetzt auch die Lage des Hohlleiterkurzschlusses

überliegenden Wand, erlauben die Definition einer zu beachten.

Kapazität. Um den Hohlraum bei Stiftankopplung Es empfiehlt sich, den Stift 5 in einen zylinfür die Betriebsfrequenz weiterhin in Resonanz zu drischen Block 6 aus verlustarmem Dielektrikum halten, müssen allerdings im allgemeinen die Wände 4° zu betten, der sich von der Ankopplungsseite 3' versetzt werden. Bei vorwiegend kapazitiver Kopp- bis an die gegenüberliegende Hohlleiterwand 3" erlung wird für eine konstante Resonanzfrequenz ein streckt (Fig. 4). Dadurch wird die Lage der Kurzkleinerer Raum benötigt, bei induktiver Kopplung schlußwand 2' unkritischer, der Übergang bleibt für müssen die Wände parallel zur Stiftachse zur Erhal- ein größeres Frequenzband reflexionsarm. Die tung der Randwertbedingungen für die Feldverteilung 45 optimale Entfernung der KurzscMußwand 2' von der nach außen versetzt werden. Stiftachse hängt bei einer gegebenen Frequenz von

Für eine breitbandige Anpassung ist es vorteilhaft, der Impedanz des Koppelstiftes 5 ab. Ist dieser für bereits das Koppelelement Koaxialleitung/Resonanz- sich in Resonanz, so ist empirisch ein Wert zu 0,26 raum so auszugestalten, daß es bei der Resonanzfre- bis 0,32 α (Meinke, Taschenbuch, S. 316) gefunquenz des Raumes auch für sich in Resonanz ist, 5° den worden, wobei α die Breite des Hohlleiters dard-h.jderinduktiveundderkapazitiveAnteilderKoppstellt (Fig. la). Dieser Wert verkleinert sich, wenn lung sind gleich groß, und der Koppelstift 5 stellt der Stift 5 von einem dielektrischen Zylinder 6 eineinen reellen Widerstand dar (Strahlungswiderstand). gehüllt wird. Um die Kopplung in Resonanz zu hal-Damit wird nicht mehr die Resonanzfrequenz des ten, muß der Koppelstift 5 gegebenenfalls gekürzt Hohlraumes 3 durch eine Blindbelastung verschoben. 55 werden, oder die induktive Kopplung würde über-Durch die Belastung des Hohlraumes bei Resonanz wiegen. Für vorwiegend induktive Kopplung ist der mit dem reellen Verlustwiderstand des Ankopplungs- Koppelstift 5 größer zu wählen.
Serienkreises wird die Bandbreite der Gesamtanord- Die genaue Lage der Kurzschlußwand 2' wird für nung erhöht. Eine weitere Verbreiterung der Reso- eine vorgegebene Koaxialleitung-Hohlleiter-Verbinnanzkurve tritt dadurch ein, daß bei Abweichungen ^6o dung, bei der die Durchmesser der Koaxialleitung, der Frequenz vom Resonanzpunkt beim Serienkreis der Querschnitt des Hohlleiters und die Frequenz eine der Hohlraumresonanz entgegengesetzte Blind- gegeben sind, am zweckmäßigsten vorher einmal emkomponente als Kreisbelastung in Erscheinung tritt. pirisch ermittelt, da die Feldstreuungen an der Über-Der Hohlraum ist beim Schwingen in der H_I01-Mode gangsstelle rechnerisch vorher kaum erfaßt werden und der Einkopplung mit Richtung des Koppelstiftes ⁶S können.

(verlängerter Koaxialinnenleiter) in der y-Richtung Da ein offener Hohlleiter bei einem HF-Strahler

(Fig. 1 a und 1 b) bezüglich des Kabelendes im Ersatz- für Therapie- oder Diathermiezwecke im allgemeinen

schaltbild impedanzmäßig als Parallelkreis anzusehen, eine zu große Körperfläche bestrahlen würde, ist das

offene Hohlleiterende gemäß der Erfindung mit einer Blende abgedeckt worden, so daß das Strahlungsdiagramm im Nahfeld hinreichend zusammengezogen wird. Eine derartige Blende kann dabei eine leitende Fläche, z.B. aus Blech, mit entsprechender Durchbrechung (ein oder mehrere Löcher, Schlitze od. dgl.) sein, deren Ausdehnung in WeUenfortschreitungsrichtung (^-Richtung) klein gegen X₀IA ist. Während beim offenen Hohlleiter das Leitungsende mit Leerlauf, abgesehen vom Strahlungswiderstand, abgeschlossen ist, ergibt eine aufgesetzte Blende eine endliche, im allgemeinen komplexe Impedanz. Dabei entspricht eine Verkürzung von elektrischen Feldlinien, vorzugsweise eine Querschnittsverengung in der y-Richtung, einer kapazitiven Belastung. Bei Vergrößerung des Leitungsstromanteils (Wandströme) gegenüber den in der Öffnungsfläche fließenden Verschiebungsströmen stellt sich eine induktive Belastung durch die Blende ein, was vorzugsweise einer Querschnittsverengung in der ^-Richtung entspricht. Wie bei der Ankopplung des Zuleitungskabels ist für die ausreichende Energieabstrahlung die Blende so auszubilden, daß sich bei der Betriebsfrequenz die kapazitive und induktive Wirkung gerade aufheben, die Blende also für sich in Resonanz ist. Der Hohlraum wird dann durch die Blende mit einem reellen Widerstand belastet (Strahlungswiderstand und minimale Wandverluste im Blendenblech). Bei Blindbelastung durch die Blende können gegebenenfalls die geometrischen Abmessungen des Raumes zur Erhaltung der Gesamtresonanz geändert werden.

Bei einer Betriebsfrequenz von z. B. 2400 MHz wird die geforderte kleine Bestrahlungsfläche von z. B. 30 · 30 mm² durch eine sehr starke kapazitive Belastung in Blendenmitte (enger Schlitz in x-Richtung) und lange Stromwege als Induktivitäten an den beiden Schlitzenden in den Seitenpartien des Blendenbleches erreicht (Fig. 7 und 8).

Die Fig. 6 bis 9 zeigen derartige Η-Blenden, die auch ersatzbildmäßig eine Parallelschaltung eines Serien- und Resonanzkreises darstellen (vgl. Fig. 2 und 3). R_n und R_K lassen sich in diesem Fall als Strahlungswiderstände durch die abgestrahlte Energie definieren. Wie vorher erläutert, ergeben Anordnungen, die impedanzmäßig durch ein solches Ersatzschaltbild darzustellen sind, bei entsprechender Ausbildung der Einzelkreise über ein breiteres Frequenzband annähernd einen reellen Widerstand.

Ein Η-Schlitz strahlt eine Welle ab, deren elektrische Feldlinien in der y-Richtung polarisiert sind. Die abgestrahlte Energie erreicht ihren größten Wert, wenn der Schlitz für sich in Resonanz ist. Entsprechend dem Babinetschen Prinzip erzeugt die Aussparung in der Resonatorwand das gleiche elektrische Feld im freien Raum wie eine Antenne von der Form des Schlitzes, die, bei gleicher Anregung um 90° gegen die Schlitzstellung gedreht, in der Ebene des ursprünglichen Blendenbleches liegen würde. Danach verhält sich der vorliegende H-Schlitz bei der Betriebsfrequenz angenähert wie ein kapazitiv belasteter Hertzscher Dipol.

Gemäß Fig. 4 bzw. 5 wird der HF-Strahler über einen Koaxialstecker 1 mit einem Koaxialkabel an das den Mikrowellengenerator enthaltende Diathermiegerät angeschlossen. Der Innenleiter 5' kann durch einen Gewindestab verlängert werden, der als Ankoppelstift 5 wirkt. Um' die Anordnung breitbandiger zu gestalten, wird dieser Stab, wie erwähnt, mit einem zylindrischen Trolitulblock verschraubt. Der Resonator besteht aus Blech. Der Resonanzraum ist in seinem Querschnitt auf der Seite 2' kurzgeschlossen, während die andere Seite mit einer Blende 2 mit Η-Schlitz abgedeckt ist. Zur elektrischen Verlängerung des Mindestabstandes Blende/Bestrahlungsfläche wird auf die Blende 2 ein Plexiglasblock 4 aufgesetzt, der gleichzeitig das Blendenblech gegen die Flanschflächen des Resonanzraumes drückt. Die Länge des Koppelstiftes 5, gemessen von der Resonatorwand aus, der Abstand der Achse des Koppelstiftes vom Resonatorkurzschluß 2' und die Dielektrikumumhüllung 6 des Koppelstiftes können in Abhängigkeit von den verschiedenen Größen, die für die breitbandige Anpassung won Bedeutung sind, etwas variiert werden, ohne daß die vorteilhaften Eigenschaften des neuen HF-Strahlers verlorengehen. Der Plexiglasblock 4 kann auch durch eine Abdeckplatte aus mehrere Millimeter starkem Plexiglas ersetzt werden. Um das Strahlungsbündel im Nahfeld, z. B. auf einem Querschnitt von 30 · 30 mm², zu konzentrieren, ist eine Blende mit einem H-förmigen Schlitz nach Fig. 6 besonders vorteilhaft, jedoch sind auch die anderen Blendenformen unter gegebenen Umständen, z. B. etwas anderen Konzentrationsforderungen, gut verwendbar.

Da der Strahler sowohl bei Bestrahlung (belastet) als auch im Leerlauf (unbelastet) hinreichend an den Mikrowellengenerator angepaßt sein muß, ist eine günstige Einstellung dann erreicht, wenn für eine bestimmte Parameterkombination in beiden Fällen ein maximal zulässiger Reflexionsfaktor R?«40 bis 45%, d.h. S?»2,3bis2,8, nicht überschritten werden. Erfahrungsgemäß kann bei überschlägigen Untersuchungen für diese Fälle Wasser als hinreichender Ersatz für biologisches Gewebe angenommen werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. HF-Strahler mit Hohlraumresonator für Diathermie- und Therapiezwecke zur Behandlung kleiner Körperflächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch ein Ankoppelelement angeregter Hohlraumleiter an der einen Stirnseite eine Blende besitzt, deren kapazitiv und induktiv belastende Querschnittsverengungen in der y-Richtung und in der jc-Richtung einen H-förmigen Schlitz bilden und so bemessen sind, daß bei der Betriebsfrequenz die Blende in Resonanz ist, während die Lage des bei der Betriebsfrequenz ebenfalls in Resonanz befindlichen Ankoppelelements zum Hohlraumleiterkurzschluß durch die Art der Ankopplung bestimmt ist.

2. HF-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumleiter eine quaderförmige Gestalt besitzt, auf dessen einer zur Stirnfläche senkrechten Fläche das Energiezuführungskabel über das in den Hohlraum hineinragende Koppelelement angeschlossen ist.

3. HF-Strahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement ein Stift ist, der in einem Zylinder in Form eines sich von der Ankoppelseite bis zur gegenüberhegenden Hohlraumwand erstreckenden Blocks aus verlustarmem Dielektrikum gebettet ist, und der Abstand des Stiftes von der Hohlleiterkurzschluß-

wand weniger als ein Drittel der Breite des Hohlleiters beträgt.

4. HF-Strahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenschlitz in der jt-Richtung eng ist und lange

Stromwege in den Seitenpartien der Blende vorgesehen sind.

5. HF-Strahler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende durch eine Kunststoffscheibe abgedeckt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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