DE102008049771A1

DE102008049771A1 - Kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät für magnetische Partikel

Info

Publication number: DE102008049771A1
Application number: DE102008049771A
Authority: DE
Inventors: Jörg Ulrich Fontius
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-08
Also published as: US8159224B2; US20100079142A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät für magnetische Partikel (206) mit einem Magnetspulen-Array. Das Magnetspulen-Array umfasst mehrere Spulen (108.1 bis 108.11), die jeweils mit einer Stromversorgung (110.1 bis 110.11) verbunden sind. Die Stromversorgungen (110.1 bis 110.11) sind mit einer Steuerung (112) verbunden, die für zwei Betriebsarten ausgebildet ist. Bei einer ersten Betriebsart werden die Stromversorgungen (110.1 bis 110.11) so gesteuert, dass an mindestens einem Ort (x1, y1, z1) in einem Zielgebiet (101) ein Magnetfeld-Extremwert (204, 208, 308, 312) erzeugt wird. Bei einer zweiten Betriebsart werden die Stromversorgungen so gesteuert, dass in einem Abbildungsgebiet (105) Magnetfelder mit einem streng monoton steigenden oder fallenden Magnetfeldverlauf erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät für magnetische Partikel mit einem Magnetspulen-Array.
Die Chemotherapie ist eine medikamentöse Therapie von Krebserkrankungen (antineoplastische Chemotherapie) oder Infektionen (antiinfektiöse Chemotherapie, auch antimikrobielle Chemotherapie). Sie verwendet Stoffe, die ihre schädigende Wirkung möglichst gezielt auf bestimmte krankheitsverursachende Zellen beziehungsweise Mikroorganismen ausüben und diese abtöten oder in ihrem Wachstum hemmen. Hierbei macht man sich bei der Behandlung von bakteriellen Infektionskrankheiten den unterschiedlichen Aufbau von mehrzelligen (Mensch) und einzelligen Lebewesen (Bakterien) zu nutze. Bei der Behandlung bösartiger Tumorerkrankungen nutzen die meisten dieser Substanzen die schnelle Teilungsfähigkeit der Tumorzellen, da diese empfindlicher als gesunde Zellen auf Störungen der Zellteilung reagieren. Auf gesunde Zellen mit ähnlich guter Teilungsfähigkeit üben sie allerdings eine ähnliche Wirkung aus, wodurch sich Nebenwirkungen wie Haarausfall oder Durchfall einstellen können.
Der Wunsch, erkrankte Körperkompartimente vollständig zu therapieren, ohne dabei das Chemotherapeutikum im restlichen, gesunden Organismus zu verteilen, kann mit den systemischen Applikationswegen bisher nicht ausreichend verwirklicht werden. In den letzten 20 Jahren entwickelten sich verschiedene regionale und zielgerichtete Arzneimittelapplikationen, um gesunde Zellen vor erhöhter Exposition zu schützen und eine höhere Wirkstoffkonzentration im Applikationsgebiet, z. B. einem Tumor, zu erreichen.
Magnetische Arzneimittelzielführung, auch Drugtargeting genannt, ist eine Möglichkeit der zielgerichteten Tumortherapie. Hierbei werden Chemotherapeutika, wie z. B. Zytostatika, reversibel an Ferrofluide, das sind kolloidale Lösungen magnetischer Nanopartikel, gebunden und intravasal appliziert. Unter Einwirkung eines externen magnetischen Feldes in einem bestimmten Körperkompartiment werden diese Ferrofluide dann angereichert. Sie dienen als Transportvehikel, um die gebundenen Chemotherapeutika über den Blutweg im gewünschten Zielgebiet zu konzentrieren, wenn über diesem ein entsprechendes Magnetfeld fokussiert wird.
Bei vielen Erkrankungen möchte man Diagnose und Therapie in einem zusammenhängenden Prozess möglichst gleichzeitig ohne Umlagerung des Patienten durchführen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Therapie- und Diagnosegerät anzugeben, mit dem eine Zielführung von magnetischen Partikeln bei gleichzeitiger diagnostischer Überwachung möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst. Demnach wird die Erfindung realisiert an einem kombinierten Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät für magnetische Partikel mit einem Magnetspulen-Array.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Lösungsweg ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulen-Array mehrere Spulen umfasst, die jeweils mit einer Stromversorgung verbunden sind, dass die Stromversorgungen mit einer Steuerung verbunden sind, die für zwei Betriebsarten ausgebildet ist, wobei bei einer ersten Betriebsart die Stromversorgungen so gesteuert werden, dass an mindestens einem Ort in einem Zielgebiet ein Magnetfeld-Extremwert erzeugt wird, und wobei bei einer zweiten Betriebsart die Stromversorgungen so gesteuert werden, dass in einem Abbildungsgebiet ein Magnetfeld mit ei nem für die Bildgebung geeigneten Magnetfeldverlauf erzeugt werden.
Damit wird ein diagnostisches Magnetresonanzgerät für eine Zielführung von Magnetpartikeln ertüchtigt, so dass unmittelbar aufeinander folgend ohne Umlagerung des Patienten eine Diagnose und eine Zielführung von Magnetpartikeln, an denen entsprechende Medikamente gebunden sind, möglich wird. Die Magnetpartikel stellen kleine Magnetpole dar, auf die Magnetfelder, insbesondere inhomogene Magnetfelder, eine Kraft ausüben. Mit Hilfe des im Magnetresonanzgerät enthaltenen Magnetspulen-Array werden die Magnetpartikel an den Therapieort im Zielgebiet geführt, wobei die Zielführung mittels spezieller ortsabhängiger Magnetfelder erfolgt. Mit dem Arrayaufbau ist es möglich, in dem Abbildungsgebiet und dem Zielgebiet streng monoton steigende oder fallende Feldverläufe, im Folgenden auch Gradientenfelder genannt, und im Zielgebiet noch zusätzlich Feldverläufe mit einem Magnetfeld-Extremwert zu generieren. Die Feldformung erfolgt in allen drei Raumachsen, so dass sowohl eine Ortskodierung der Bildsignale wie auch eine Konzentration der Magnetpartikel an einem gewünschten Ort im Zielgebiet erreicht werden kann. Bei der Zielführung kann auch noch der Effekt ausgenutzt werden, dass Gradientenfelder eher einen Translations- als einen Fokussierungseffekt besitzen, wie das bei Feldern der Fall ist, die einen Magnetfeld-Extremwert aufweisen.
Es ist sogar möglich, die erste und die zweite Betriebsart bei einer entsprechenden Lokalierungsgeometrie der Magnetpartikel gleichzeitig zu aktivieren. Beispielsweise wäre eine Lokalisierungsgeometrie, die in einer gesamten Ebene, z. B. einer transversale Ebene, verläuft, für die gleichzeitig aktivierten Betriebsarten geeignet.
Die Geometrie und das Profil des Zielgebiets kann beispielsweise graphisch über ein Eingabegerät, z. B. eine Computermaus, in ein Übersichtsbild eingezeichnet werden. Auf einem Computer werden dann die von den Stromversorgungen zu lie fernden Ströme in Abhängigkeit von dem Profil des Zielgebiets berechnet.
Bei der Zielführung der Magnetpartikel ist es nun von besonderem Vorteil, dass während der Therapie ohne eine Umlagerung des Patienten eine Magnetresonanzbildgebung und damit eine diagnostische Kontrolle durchgeführt werden kann. Die für die Ortskodierung bei der Bildgebung erforderlichen Gradientenfelder werden durch Umschalten der Betriebsart der Steuerung erzeugt. Mit der Bildgebung kann dann überprüft werden, ob die Magnetpartikel auch das Zielvolumen erreicht haben. Ist dies noch nicht der Fall, können die Magnetpartikel in der ersten Betriebart der Steuerung erneut lokalisiert bzw. fokussiert werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Magnetpartikel nicht durch die Gradientenfelder bei der Bildgebung wieder delokalisiert werden. Das kann für die Bildgebung durch eine kurze Messdauer und/oder kleine Amplituden für das Bildgebungsmagnetfeld im Vergleich zu dem Magnetfeld für die Lokalisation erreicht werden.
Eine weitere Anwendung des kombinierten Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgeräts besteht in der Verwendung bei einer Mehrkomponenten-Therapie. Dabei kommen zwei Reagenzien zur Anwendung, die getrennt voneinander chemisch inaktiv sind. Wenn sie zusammentreffen, reagieren sie jedoch zum Beispiel unter Wärmeerzeugung. Mit Hilfe der magnetischen Trägerpartikel kann nun das erste chemisch inaktive Reagenz an die Stelle des Tumors durch magnetische Zielführung gebracht werden. Ist es dort fokussiert, wird das zweite chemisch inaktive Reagenz dem Patienten injiziert, so dass es sich im Körper verteilen kann. Wenn nun das zweite Reagenz auf das erste Reagenz trifft, findet eine thermische, z. B. exotherme, Reaktion statt, durch deren Wärmeentwicklung der gewünschte therapeutische Effekt erzeugt wird, z. B. ein zu behandelnder Tumor geschädigt wird. Mehrere Vorteile ergeben sich bei der Verwendung mehrerer Komponenten. Beispielsweise besteht keine Zeitabhängigkeit bei der Zielführung der Magnetpartikel. Bei einer thermischen Reaktion kann die sich einstellende Tempe raturverteilung auch mit Hilfe von Magnetresonanzverfahren ortsaufgelöst gemessen werden. Ebenfalls kann auch der Zerstörungsgrad eines behandelten Tumors ermittelt werden. Zusätzlich wäre auch eine weitere Substanz einsetzbar, die das Reagenz von den Träger-Magnetpartikeln wieder löst, so dass das Reagenz mittels Magnetresonanzverfahren zwar noch detektierbar bleibt (z. B. durch molekulare Bildgebung), jedoch eine Delokalisation durch die Gradientenfelder während der Bildgebung nicht stattfinden kann.
Die Unteransprüche geben Ausführungsformen der Erfindung wieder.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von fünf Figuren erläutert. Es zeigen:
1 in einer Übersichtsdarstellung die Hauptkomponenten eines kombinierten Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgeräts mit einem Magnetspulen-Array mit mehreren Spulen,
2 in einer schematischen Darstellung einen ersten ortsabhängigen Verlauf des Magnetfelds in z-Richtung,
3 in einer schematischen Darstellung einen zweiten ortsabhängigen Verlauf des Magnetfelds in z-Richtung,
4 in einer schematischen Darstellung einen dritten ortsabhängigen Verlauf des Magnetfelds in z-Richtung und
5 in einer schematischen Darstellung die Lage eines Magnetfeldextremwertes im Patienten.
1 zeigt ein kombiniertes diagnostisches Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät 100, mit dem neben der Magnetresonanzbildgebung zusätzlich noch eine Zielführung von magnetischen Partikeln in ein Zielgebiet 101 innerhalb eines Patienten 102 durchgeführt werden kann. In einem tunnelförmigen Innenraum 103 eines Magneten, vorzugsweise eines supraleitenden Magneten, 104 ist ein rohrförmiger Träger 106 mit hier beispielhaft 11 Spulen 108.1 bis 108.11 angeordnet. Der Magnet 104 erzeugt in einem Abbildungsgebiet 105 ein homogenes Magnetfeld in der Längsrichtung des tunnelförmigen Innenraums 103. In einem kartesischen Koordinatensystem wird dieser Richtung die z-Achse zugewiesen. Das Abbildungsgebiet 105 ist hier kugelförmig ausgebildet, wobei das Zielgebiet 101 vollständig innerhalb des Abbildungsgebiets 105 liegt.
Die Spulen 108.1 bis 108.11 umfassen sowohl sattelspulenförmige Leiteranordnungen zur Erzeugung von ortsabhängigen Magnetfeldern in x- und y-Richtung sowie ringförmige Leiteranordnungen zur Erzeugung von ortsabhängigen Magnetfeldern in z-Richtung. Die einzelnen Spulen 108.1 bis 108.11 sind mit jeweils einer Stromversorgung 110.1 bis 110.11 verbunden. Die Stromversorgungen 110.1 bis 110.11 werden individuell von einer Steuerung 112 in mehreren Betriebsarten angesteuert, wie weiter unten noch näher beschrieben ist.
Zur Anregung und zum Empfang von Magnetresonanzsignalen ist eine Hochfrequenzantenne 114 innerhalb des rohrförmigen Trägers 106 angeordnet, die mit einem Hochfrequenzsystem 116 verbunden ist. Eine Zentralsteuerung 118 steuert den gesamten Betrieb des kombinierten Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgeräts 100. Eine Eingabeeinheit 120 erlaubt einem Nutzer die Eingabe von entsprechenden Steuerbefehlen, wie z. B. die Steuerung der Betriebsarten, die Lage des Zielgebiets 105, die zu aktivierende Pulssequenz für die Bildaufnahme, die Bildaufnahmeparameter usw. Schließlich ist noch eine Anzeigeeinheit 122 vorhanden, mit der die Nutzereingaben, die Lage des Zielgebiets und die erstellten Magnetresonanzbilder zur Therapiekontrolle dem Benutzer präsentiert werden können.
Die Geometrie und das Profil des Zielgebietes kann z. B. graphisch über die Eingabeeinheit 120, die beispielsweise eine Computermaus umfasst, in ein auf der Anzeigeeinheit 122 präsentiertes Übersichtsbild eingezeichnet werden. Auf einem Hostcomputer, der z. B. in der Zentralsteuerung 118 implementiert ist, wird die Stromverteilung für die Spulen 108.1 bis 108.11 im Magnetspulen-Array in Abhängigkeit des Profils des Zielgebietes 101 berechnet.
Bis auf das geänderte Magnetspulen-Array mit den Spulen 108.1 bis 108.11 und der Stromversorgungen 110.1 bis 110.11 sowie der entsprechend modifizierten Steuerung 112 und Zentralsteuerung 118 entspricht das kombinierte Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät einem herkömmlichen diagnostischen Magnetresonanzgerät.
Die Spulen 108.1 bis 108.11 können nach Art eines Arrays über die Stromversorgungen 110.1 bis 110.11 individuell mit vorgegebenen Strömen zur Erzeugung des gewünschten ortsabhängigen und zeitveränderlichen Magnetfelds angesteuert werden.
2 zeigt beispielhaft den Verlauf 202 eines linear ortsabhängigen Magnetfeldes Mz in Längsrichtung des tunnelförmigen Innenraums 103, also in z-Richtung, in einer ersten oder zweiten Betriebsart. In der ersten Betriebsart des Magnetspulen-Arrays wird eine Zielführung von magnetischen Partikeln verwirklicht und in der zweiten Betriebsart erfolgt eine Bildgebung zur diagnostischen Kontrolle des Fortschritts der Zielführung. Das Gradientenfeld wird bei der Bildgebung zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale und bei der Zielführung zur Erzeugung einer Translationsbewegung der magnetischen Partikel benutzt. Zur Bildgebung und auch zur entsprechenden Erzeugung von Translationsbewegungen werden auch noch Gradientenfelder in den beiden anderen Raumrichtungen (x- und y-Achse des kartesischen Koordinatensystems) verwendet. Die Spulen 108.1 bis 108.11 besitzen ein entsprechendes Design, so dass mit einer vorgegebenen Stromverteilung der Ströme aus den Stromversorgungen 110.1 bis 110.11 für die einzelnen Spu len 108.1 bis 108.11 der gewünschte Verlauf der Magnetfelder nicht nur in der z-Richtung sondern auch in den übrigen beiden Raumrichtungen x und y erzeugt werden kann.
Zur Fokussierung der magnetischen Partikel im Zielgebiet 101 wird grundsätzlich ein lokaler Extremwert, vorzugsweise ein Minimum, des Magnetfelds verwendet. In der ersten Betriebsart wird daher ein inhomogenes Magnetfeld mit einem lokalen Minimum 204 in z-Richtung mit abschnittsweise linearem Verlauf erzeugt, wie in 3 dargestellt ist. Das lokale Minimum 204 wird mit dem gezeigten beispielhaften Magnetfeldverlauf in z-Richtung an einen bestimmten Ort im Zielgebiet erzeugt, so dass sich dort die magnetischen Partikel 206 konzentrieren. Die Minima der Magnetfelder in x- und y-Richtung werden analog ebenfalls im Zielgebiet 101 erzeugt (hier nicht dargestellt). Der Magnetfeldverlauf in der 3 besitzt nur ein Minimum. Es können auch mehrere Extremwerte auftreten, um bei der Berechnung einer optimalen Stromverteilung mehr Freiheitsgrade zuzulassen. Dafür ist eine Vorfokussierung auf ein Minimum notwendig. Auch hier werden entsprechende Magnetfelder in den beiden übrigen Raumrichtungen x und y erzeugt, so dass ein lokales Minimum im Zielgebiet 101 entsteht.
Für die Bildgebung liegt im Allgemeinen der Null-Magnetfeldwert des Gradientenfeldes im Koordinatenursprung des kartesischen Koordinatensystems, welches wiederum im Mittelpunkt des Abbildungsgebiets 105 liegt. Für die Zielführung der Magnetpartikel zum Zielgebiet 101 kann einerseits das Magnetfeld, insbesondere die Lage des Magnetfeldminimums 204 über eine entsprechende Bestromung der Spulen 108.1. bis 108.11 verändert werden. Andererseits kann auch die Lage des Patienten 102 mit der Patientenliege verändert werden, um die in den Körper eingebrachten Partikel möglichst schnell im Zielgebiet 101 konzentrieren zu können.
4 zeigt zur Zielführung einen abschnittsweise parabelförmigen Verlauf 210 des Magnetfeldes Mz in z-Richtung in der ersten Betriebsart. Hier ist ein parabelförmiges lokales Mi nimum 208 dargestellt, das ein relativ großes Zielgebiet 101 umfasst. Zusätzlich gibt es auch noch ein Magnetfeld-Maximum 210, das allerdings außerhalb des eigentlichen Zielgebiets 101 liegt. Auch hier werden zusätzlich ortsabhängige Magnetfelder in den übrigen Raumrichtungen erzeugt. Die Steilheit des Gradienten bestimmt, wie 4 verdeutlichen soll, die Ausdehnung des Zielgebiets 101 bzw. die Fokussierung der Magnetpartikel im Zielgebiet 101. Um die Effektivität der Zielführung in x- und y-Richtung zu erhöhen, kann das magnetische Grundfeld B₀ im Lokalisierungsvolumen durch die z-Arrayspulen kompensiert werden, während in x- und y-Richtung lokalisiert wird.
5 veranschaulicht die Lage des Zielgebiets 101 mit den verwendeten ortsabhängigen Magnetfeldern an einem in z-Richtung am Ort z1 angeordneten Querschnitt 302 innerhalb des Patienten 102. Ein Tumor 304 befindet in dem Querschnitt 302 mit seinem Mittelpunkt an der Stelle x1, y1 und am Ort z1 des Querschnitts. Die Abmessungen des Tumors 304 werden durch einen Kreis mit dem Radius R angenähert erfasst. Der Tumor 304 stellt das Zielgebiet 101 dar für die Fokussierung von magnetischen Partikeln 206, woran ein zu applizierendes Medikament gebunden ist. Das Magnetfeld, mit dem die magnetischen Partikel 206 in dem Tumor 304 fokussiert werden sollen, hat im Querschnitt 302 sein Minimum an der Stelle x1, y1. Mit den Spulen zur Erzeugung eines in x-Richtung variierenden Magnetfelds Mx wird ein Magnetfeldverlauf 306 erzeugt, der in seinem Minimum 308 parabelförmig ausgebildet ist. Mit den Spulen zur Erzeugung eines in y-Richtung variierenden Magnetfeldes My wird ein Magnetfeldverlauf 310 erzeugt mit einem Minimum 312. Der Magnetfeldverlauf 310 weist im Wesentlichen zwei lineare Abschnitte auf. Das Magnetfeld in z-Richtung ist mit einem Minimum am Ort des Querschnitts 302 ausgebildet, so dass sich die Magnetpartikel 206 am Ort x1, y1, z1 fokussieren. Die verwendeten ortsabhängigen Magnetfelder werden durch eine entsprechende Einstellung der Ströme für die einzelnen Spulen 108.1 bis 108.11 erzeugt.

Claims

Kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät für magnetische Partikel (206) mit einem Magnetspulen-Array zur Erzeugung von ortsveränderlichen und zeitabhängigen Magnetfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulen-Array mehrere Spulen (108.1 bis 108.11) umfasst, die jeweils mit einer Stromversorgung (110.1 bis 110.11) verbunden sind, dass die Stromversorgungen (110.1 bis 110.11) mit einer Steuerung (112) verbunden sind, die für zwei Betriebsarten ausgebildet ist, wobei bei einer ersten Betriebsart die Stromversorgungen (110.1 bis 110.11) so gesteuert werden, dass an mindestens einem Ort (x1, y1, z1) in einem Zielgebiet (101) ein Magnetfeld-Extremwert (204, 208, 308, 312) erzeugt wird, und wobei bei einer zweiten Betriebsart die Stromversorgungen (110.1 bis 110.11) so gesteuert werden, dass in einem Abbildungsgebiet (105) Magnetfelder mit einem streng monoton steigenden oder fallenden Magnetfeldverlauf erzeugt werden.
Kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Zielgebiet (101) und das Abbildungsgebiet (105) überlappen.
Kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Zielgebiet (101) und das Abbildungsgebiet (105) im Wesentlichen decken.
Kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeld-Extremwert (204, 208, 308, 312) als lokales Minimum ausgebildet ist.
Kombiniertes Magnetresonanz-Bildgebungs- und Zielführungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulenarray (110.1 bis 110.11) einschließlich der Stromversorgungen und der Steuerung (112) ausgebildet sind, zwischen den Gradientenfeld-Extremwerten lineare und/oder parabelförmige Magnetfeldverläufe und/oder Magnetfeldverläufe höherer Ordnungen im Zielgebiet (101) zu erzeugen.