Allgemeine Zielsetzung: Erforschung eines Dual-Mode-Mikrowellenapplikator-Systems zur Diagnose und thermischen Ablation organischen Gewebes bei Menschen

1. Thermisches Ablationsmodell: Die Entwicklung eines Modells der thermischen Ablation basierend auf tatsächlichen medizinischen Aufzeichnungen zur Vorhersage des Temperaturverteilungsprofils in einem bestimmten Gewebe, der Größe und Form der korrespondierenden Ablationszone. Dieses Modell kann zur Exploration und zur Planung von Behandlungsstrategien verwendet werden.

2. Modellierung und Design: Analyse, Modellierung und Design des Applikators. Hierbei müssen MRT- und Biokompatibilität berücksichtigt werden. Die maximale Größe, der größte tolerierbare Fehler bei der Erkennung des relativen dielektrischen Profils und die erwünschte Ablationszone werden die Hauptziele sein.

3. Optimierung für die Systemkonfiguration: Eine Optimierung der Struktur des Applikators, der Schnittstelle mit dem Messwerkzeug und des technologischen Prozesses zur Realisierung der Vorführmodelle, werden durchgeführt, um allen Anforderungen zu entsprechen und alle Teile zu integrieren, die ein komplettes Applikatorsystem umfassen.

4. Mikrowellen-Charakterisierung: Umfangreiche Tests mit dem Applikatorsystem, erstens mit Phantomen von organischen Geweben und zweitens mit ex-vivo organischem Gewebe werden durchgeführt, um das Konzept des Gesamtsystems und seine Zielanwendung nachzuweisen.

5. Systembewertung: Eine umfassende Bewertung der Leistungsfähigkeit des Applikatorsystems – sowohl aus Ingenieurs- als auch aus medizinischer Sicht – wird durchgeführt, um die Realisierung eines geeigneten Applikators zu gewährleisten, der auf echte medizinische Umgebungen ausgerichtet ist.

Maligne Tumorerkrankungen sind eine der führenden Ursachen für die Mortalität in der Bevölkerung weltweit. Zwar verfügen die meisten Gesundheitszentren über Verfahren zur Diagnostik und Therapien von Krebs, jedoch lassen sich kurative Therapien selten realisieren.

Die Ursachen dafür beginnen bereits bei der Diagnostik, die häufig verzögert bzw. wegen des hohen Anteils an falschen Befunden oder einer verzögerten Diagnostik, die optimale Behandlung verhindert. Da auch die derzeitigen Behandlungsmodalitäten bei Tumorerkrankungen ebenfalls mit relevanten Risiken einhergehen, bestehen hier essentielle Anforderungen an neue und innovative Techniken zur Diagnose und Therapien. Um die Nachteile bisheriger Verfahren zu vermeiden, könnten die zu entwickelnden Mikrowellenablation- Techniken auf der Basis neuartiger Hochfrequenz-Instrumente zur Diagnostik und Therapie wesentlich beitragen.

Ziel dieses Projektes sind grundlegende theoretische und experimentelle Untersuchungen eines neuartigen Dual-Mode- Mikrowellen-Applikators für die Diagnostik und thermische Ablation von organischem Gewebe. Der beantragte Forschungsansatz unterscheidet sich im hohen Maß von den bisherigen Verfahren und dem Stand der Technik, bei denen kommerzielle Applikatoren verwendet werden. Der zu entwickelnde Applikator ist ausgerichtet auf die Durchführung von zwei Aufgaben: einmal die relative dielektrische Analyse des organischen Gewebes, um Anomalien wie Tumorgewebe lokalisieren zu können, sowie die Durchführung einer präzisen lokalisierten Mikrowellen- Thermotherapie mit demselben Applikator. Da das technische Prinzip auf planaren Strukturen basiert, ist ein Array von Elementen vorgesehen, das Gewebe lokal charakterisieren kann und die räumlichen Informationen zur präziseren Lokalisation von Anomalien verbessert. Zusätzlich kann mittels der Eigenschaften des Arrays die Position und Lokalisation der Ablationszone verbessert werden. Dabei wird nur ein einzelnes Element zum Aufheizen des Gewebes verwendet. Mit dem neuartigen Applikator für die Mikrowellenablation wird eine wesentlich geringe Eingangsleistung (bis zu 10 W) gegenüber dem aktuellen Stand der Technik (50 – 200 W) verwendet. Ebenso wird eine höhere Betriebsfrequenz von 12 bis 20 GHz genutzt, so dass die Probleme der Impedanzanpassung zwischen Applikator und Gewebe deutlich reduziert werden, da bei dieser hohen Frequenz die Änderungen nicht signifikant für Leistungsfähigkeit des Applikators sind und die benötigte Ablationszeit wesentlich kürzer ist. Bisher hatten sich diese Eigenschaften immer als ein größeres Problem bei thermischen Ablationstherapien erwiesen.

Weiterhin soll in diesem Projekt die Kompatibilität des Applikators mit dem Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT) erzielt werden. Ein MRkompatibler Applikator wird aufgrund des Weichteilkontrasts der MRT die Genauigkeit der Positionierung des Applikators interventionell sowie die Kontrolle und Dauer der Therapie entscheidend optimieren.

2016

C. Reimann, M. Puentes, M. Schüßler, R. Jakoby. “Design and Realization of a Microwave Applicator for Diagnosis and Thermal Ablation Treatment”. 10th German Microwave Conference (GeMiC), Bochum, Germany, 14-16 March 2016.

M. Puentes, C. Reimann, M. Schüßler, R. Jakoby. “Microwave Devices for Theranostic Applications”. 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Torremolinos-Malaga, Spain, 25-28 July 2016.

C. Reimann, M. Puentes, M. Schüßler, F. Hübner, B. Bazrafshan, T.J. Vogl, R. Jakoby. “Theranostic Microwave Applicator Suitable for Minimal Invasive Therapy of Malignant Tissue”. 38th International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Orlando, Florida, 16-20 August 2016.

C. Reimann, M. Puentes, M. Maasch, F. Hübner, B. Bazrafshan, T.J. Vogl, C. Damm, R. Jakoby. “Planar Microwave Sensor for Theranostic Therapy of Organic Tissue Based on Oval Split Ring Resonators”. Sensors, Vol. 16, Issue 5, 2016

2017

Carolin Reimann, Margarita Puentes, Holger Maune, Babak Bazrafshan, Frank Hübner, Thomas J. Vogl and Rolf Jakoby. “A Cylindrical Shaped Theranostic Applicator for Percutaneous Microwave Ablation”. First IEEE MTT-S International Microwave Bio Conference (IMBIOC), 15-17 May 2017.