DE102011004666A1

DE102011004666A1 - Medical device for heating human or animal tissue

Info

Publication number: DE102011004666A1
Application number: DE201110004666
Authority: DE
Inventors: Günter Ries; Dirk Diehl; Harald Schmidt; Wolfgang Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2012113658A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe. Die Vorrichtung umfasst eine erste Magnetfeldeinrichtung (1, 2) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds (M1) im zu erwärmenden Gewebe, wobei das erste Magnetfeld (M1) ein zeitlich konstantes Gradientenfeld ist, sowie eine zweite Magnetfeldeinrichtung (5, 6) zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds im zu erwärmenden Gewebe, wobei das zweite Magnetfeld (M2) zeitlich mit einer Frequenz variiert. Die erste und zweite Magnetfeldeinrichtung (1, 2; 5, 6) sind derart zueinander positionierbar, dass das zweite Magnetfeld (M2) im zu erwärmenden Gewebe eine Magnetfeldkomponente senkrecht zum ersten Magnetfeld (M1) aufweist, wodurch Partikel (9), welche ein magnetisches Moment (m) aufweisen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, in Rotationsschwingungen versetzt werden. Die Partikel (9) bilden dabei jeweils ein schwingungsfähiges System mit einer Resonanzfrequenz, welche vom Betrag des ersten Magnetfelds (M1) am Ort des jeweiligen Partikels (9) sowie dem Trägheitsmoment und dem magnetischen Moment (m) des jeweiligen Partikels (9) abhängt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Benutzerschnittstelle (8), über welche ein Bereich (A) maximaler Erwärmung im zu erwärmenden Gewebe mit darin eingebrachten Partikeln spezifizierbar ist. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass in Abhängigkeit von dem magnetischen Moment (m) und dem Trägheitsmoment der Partikel (9) die Frequenz des zweiten Magnetfelds und/oder der Betrag des ersten Magnetfelds (M1) derart eingestellt werden, dass die Partikel (9) im über die Benutzerschnittstelle (8) spezifizierten Bereich (A) im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz schwingen.The invention relates to a medical device for heating human or animal tissue. The device comprises a first magnetic field device (1, 2) for generating a first magnetic field (M1) in the tissue to be heated, the first magnetic field (M1) being a gradient field that is constant over time, and a second magnetic field device (5, 6) for generating a second Magnetic field in the tissue to be heated, the second magnetic field (M2) varying over time with a frequency. The first and second magnetic field devices (1, 2; 5, 6) can be positioned relative to one another in such a way that the second magnetic field (M2) in the tissue to be heated has a magnetic field component perpendicular to the first magnetic field (M1), whereby particles (9) which have a magnetic Have moment (m) and are introduced into the tissue to be heated during operation of the device, are set in rotational vibrations. The particles (9) each form an oscillatory system with a resonance frequency that depends on the magnitude of the first magnetic field (M1) at the location of the respective particle (9) and the moment of inertia and the magnetic moment (m) of the respective particle (9). The device according to the invention further comprises a user interface (8), via which an area (A) of maximum heating in the tissue to be heated with particles introduced therein can be specified. The device is designed such that, depending on the magnetic moment (m) and the moment of inertia of the particles (9), the frequency of the second magnetic field and / or the magnitude of the first magnetic field (M1) are set such that the particles (9) in the range (A) specified via the user interface (8) essentially oscillate at the resonance frequency.

Description

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe.The invention relates to a medical device for heating human or animal tissue.

Zur Behandlung von menschlichem oder tierischem Gewebe ist aus dem Stand der Technik das sog. Magnetic-Drug-Targeting bekannt. Dabei werden sehr kleine ferro- bzw. ferrimagnetische Partikel (sog. Nanopartikel) mit medizinischem Wirkstoff in den Blutstrom eines Patienten eingebracht und durch ein magnetisches Gradientenfeld aus der Blutbahn in das krankhafte Gewebe gezogen und dort festgehalten. Dies führt zu einer hohen Aufkonzentration des von den Nanopartikeln getragenen Wirkstoffs, der dann im Bereich des krankhaften Gewebes abgegeben wird. Magnetic-Drug-Targeting wird dabei insbesondere zur Behandlung von Tumorerkrankungen eingesetzt, wobei als Wirkstoff sog. Zytostatika verwendet werden, bei denen es sich um zellschädigende Medikamente handelt. Durch die Lokalisation der magnetischen Partikel in den krankhaften Gewebebereichen entfaltet sich die therapeutische Wirkung des Wirkstoffs nur lokal. Die Freisetzung des Wirkstoffs kann gegebenenfalls durch lokale Erwärmung beschleunigt oder auch erst ermöglicht werden.For the treatment of human or animal tissue known from the prior art, the so-called. Magnetic Drug Targeting. Very small ferromagnetic or ferrimagnetic particles (so-called nanoparticles) with medicinal active substance are introduced into the bloodstream of a patient and drawn out of the bloodstream into the diseased tissue by a magnetic gradient field and held there. This leads to a high concentration of the drug carried by the nanoparticles, which is then released in the area of the diseased tissue. Magnetic drug targeting is used in particular for the treatment of tumor diseases, so-called cytotoxic agents being used as the active ingredient, which are cell-damaging medicaments. Due to the localization of the magnetic particles in the diseased tissue areas, the therapeutic effect of the active ingredient develops only locally. The release of the active ingredient may optionally be accelerated by local heating or even made possible.

Aus dem Stand der Technik ist ferner die Behandlung von menschlichem oder tierischem Gewebe mittels Hyperthermie bekannt. Dabei wird das krankhafte Gewebe über 40°C erwärmt und so abgetötet. Die hierzu benötigte Energie kann auf verschiedene Art und Weise zugeführt werden, z. B. mittels einer Heizung, der Einstrahlung von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen (z. B. Mikrowellen), mittels Ultraschall oder Laserlicht. Die Heizwirkung kann gegebenenfalls verstärkt werden, wenn in Analogie zum Magnetic-Drug-Targeting Nanopartikel in das krankhafte Gewebe eingebracht werden, die z. B. im Wechselfeld einer Hochfrequenzeinstrahlung magnetische Verluste aufweisen und so die lokale Wärmeentwicklung erhöhen. Als Verlustmechanismen in magnetisch eindomänigen Nanopartikeln sind dabei die Neel-Relaxation und die Brown-Relaxation bekannt. Gemäß der Neel-Relaxation wird der Magnetisierungsvektor der Partikel thermisch aktiviert und springt zwischen zwei Vorzugsrichtungen entlang der Kristallachsen des Partikels hin und her. Gemäß der Brown-Relaxation richten sich die Nanopartikel durch Rotation am Magnetfeld aus und dissipieren Energie durch Reibung. Dieser Beitrag ist nur in nicht an die Umgebung gebundenen, eher kugelförmigen Teilchen wirksam, welche frei rotieren können. Bei größeren Nanopartikeln, bei denen die Magnetisierung in mehreren Domänen (Weißsche Bezirke) unterteilt ist, kommen Hystereseverluste durch das Ummagnetisieren im hochfrequenzen Wechselfeld hinzu.The prior art also discloses the treatment of human or animal tissue by means of hyperthermia. The pathological tissue is heated above 40 ° C and killed. The energy required for this purpose can be supplied in various ways, for. Example by means of a heater, the irradiation of high-frequency electromagnetic waves (eg., Microwaves), by means of ultrasound or laser light. If necessary, the heating effect can be enhanced if, in analogy to magnetic drug targeting, nanoparticles are introduced into the diseased tissue, which is e.g. B. in the alternating field of a high-frequency radiation magnetic losses and thus increase the local heat. The loss mechanisms in magnetically single-domain nanoparticles are Neel relaxation and Brown relaxation. According to the Neel relaxation, the magnetization vector of the particles is thermally activated and reciprocates between two preferential directions along the crystal axes of the particle. According to the Brown relaxation, the nanoparticles align themselves by rotation at the magnetic field and dissipate energy by friction. This contribution is effective only in non-ambient bound, rather spherical particles which are free to rotate. For larger nanoparticles, where the magnetization is subdivided into several domains (white domains), hysteresis losses due to magnetic reversal in the high-frequency alternating field are added.

Die aus dem Stand der Technik bekannten medizinischen Vorrichtungen zur Durchführung von Magnetic-Drug-Targeting bzw. Hyperthermie können nur grob Gewebebereiche abgrenzen, in denen ein entsprechender Wirkstoff abgegeben wird bzw. das Gewebe erwärmt wird. Es besteht nicht die Möglichkeit einer quantitativen Einstellung der Vorrichtung auf genau spezifizierte Gewebebereiche, in denen ein Wirkstoff wirksam sein soll bzw. eine Gewebeerwärmung auftreten soll. Demzufolge führen therapeutische Behandlungen mit bekannten Vorrichtungen häufig auch zur ungewollten Zerstörung von gesundem Gewebe.The known from the prior art medical devices for performing magnetic drug targeting or hyperthermia can only roughly define tissue areas in which a corresponding drug is delivered or the tissue is heated. There is no possibility of a quantitative adjustment of the device to precisely specified areas of tissue in which an active substance should be effective or a tissue warming should occur. As a result, therapeutic treatments with known devices often result in the unwanted destruction of healthy tissue.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe zu schaffen, mit der vorgebbare abgegrenzte Gewebebereiche behandelt werden können.The object of the invention is therefore to provide a medical device for heating human or animal tissue, can be treated with the predetermined demarcated tissue areas.

Diese Aufgabe wird durch die medizinische Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the medical device according to claim 1. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine erste Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds in dem zu erwärmenden Gewebe, wobei das erste Magnetfeld ein zeitlich konstantes Gradientenfeld ist. Das heißt, das erste Magnetfeld weist an verschiedenen Positionen im Raum eine unterschiedliche Magnetfeldstärke auf, wobei sich die Magnetfeldstärken jedoch nicht zeitlich verändern. Als erste Magnetfeldeinrichtung kann z. B. eine Magnetfeldeinrichtung eingesetzt werden, welche bereits im Rahmen des oben beschriebenen Magnetic-Drug-Targeting verwendet wird.The device according to the invention comprises a first magnetic field device for generating a first magnetic field in the tissue to be heated, wherein the first magnetic field is a temporally constant gradient field. That is, the first magnetic field has a different magnetic field strength at different positions in the space, but the magnetic field strengths do not change with time. As the first magnetic field device can, for. B. a magnetic field device can be used, which is already used in the context of the above-described magnetic drug targeting.

Neben der ersten Magnetfeldeinrichtung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine zweite Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds in dem zu erwärmenden Gewebe, wobei das zweite Magnetfeld zeitlich mit einer Frequenz variiert. Die Frequenz liegt dabei vorzugsweise in einem Hochfrequenzbereich, der in etwa bei einem Kilohertz beginnt. Vorzugsweise liegt die Hochfrequenz in dem Bereich von einigen bis zu mehreren hundert Megahertz.In addition to the first magnetic field device, the device according to the invention further comprises a second magnetic field device for generating a second magnetic field in the tissue to be heated, wherein the second magnetic field varies in time with a frequency. The frequency is preferably in a high frequency range, which starts at about one kilohertz. Preferably, the high frequency is in the range of several to several hundred megahertz.

In der medizinischen Vorrichtung sind die erste und die zweite Magnetfeldeinrichtung derart zueinander positionierbar, dass der Magnetfeldvektor des zweiten Magnetfelds eine räumliche Magnetfeldkomponente senkrecht zu dem Magnetfeldvektor des ersten Magnetfelds aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Magnetfeld im zu erwärmenden Gewebe im Wesentlichen senkrecht auf dem ersten Magnetfeld. Auf diese Weise können Partikel, welche ein magnetisches Moment aufweisen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, in Rotationsschwingungen versetzt werden. Man macht sich hierbei die physikalische Erkenntnis zunutze, dass sich die magnetischen Momente der Partikel im ersten Magnetfeld ausrichten wollen und bei einer Winkelauslenkung ein zum Winkel proportionales Rückstellmoment erfahren. Im Zusammenwirken mit dem Trägheitsmoment bildet jedes Partikel ein schwingungsfähiges System mit einer Resonanzfrequenz, welche vom Betrag des ersten Magnetfelds am Ort des jeweiligen Partikels sowie dem Trägheitsmoment und dem magnetischen Moment des jeweiligen Partikels abhängt. Die senkrecht zu den Magnetfeldlinien der ersten Magnetfeldeinrichtung stehenden Magnetfeldkomponenten des zweiten Magnetwechselfelds bewirken eine periodische Winkelauslenkung des Partikels um eine durch das Partikel verlaufende Rotationsachse. Die Winkelauslenkung dieser Schwingungsanregung ist umso größer, je näher die anregende Frequenz an der Resonanzfrequenz der Partikel liegt. Dieses Verhalten wird durch eine bekannte Resonanzkurve beschrieben.In the medical device, the first and the second magnetic field device can be positioned relative to one another such that the magnetic field vector of the second magnetic field has a spatial magnetic field component perpendicular to the magnetic field vector of the first magnetic field. In a preferred embodiment, the second magnetic field in the tissue to be heated is substantially perpendicular to the first magnetic field. In this way, particles which have a magnetic moment and during operation of the device in the tissue to be heated are introduced, are placed in rotational vibrations. One makes use of the physical knowledge that the magnetic moments of the particles want to align themselves in the first magnetic field and, in the case of an angular deflection, experience a restoring moment proportional to the angle. In interaction with the moment of inertia, each particle forms a vibratory system with a resonance frequency, which depends on the magnitude of the first magnetic field at the location of the respective particle as well as the moment of inertia and the magnetic moment of the respective particle. The magnetic field components of the second alternating magnetic field that are perpendicular to the magnetic field lines of the first magnetic field device cause a periodic angular deflection of the particle about an axis of rotation passing through the particle. The angular excursion of this vibration excitation is the greater the closer the exciting frequency is to the resonance frequency of the particles. This behavior is described by a known resonance curve.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt dabei aus, dass die Reibungsverluste der Schwingung und damit die erzeugte Wärme mit der Winkelamplitude ansteigen. Somit ist die Wärmeerzeugung dort am größten, wo anregende und Resonanzfrequenz der Partikel nahe beieinander liegen. Da das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld ein Gleichfeld mit einem Gradienten ist, ist die Resonanzbedingung und damit die Wärmeentwicklung nur auf einen räumlich begrenzten Bereich beschränkt.The device according to the invention makes use of the fact that the friction losses of the oscillation and thus the heat generated increase with the angle amplitude. Thus, heat generation is greatest where stimulating and resonant frequencies of the particles are close to each other. Since the first magnetic field generated by the device according to the invention is a constant field with a gradient, the resonance condition and thus the heat generation is limited to a limited area.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet ferner eine Benutzerschnittstelle, über welche ein Bereich maximaler Erwärmung in dem zu erwärmenden Gewebe, in das entsprechende Partikel eingebracht sind, spezifizierbar ist. Je nach Anwendungsfall kann dieser Bereich verschieden durch den Benutzer festgelegt werden. Vorzugsweise gibt der Benutzer eine Tiefe oder auch einen Tiefenbereich ein, in dem sich krankhaftes Gewebe befindet. In dieser Gewebetiefe soll dann die maximale Erwärmung erfolgen. Die Benutzerschnittstelle kann dabei beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere umfasst sie einen Rechner mit Monitor, über den mittels einer Eingabeeinrichtung (z. B. Tastatur oder Maus) der entsprechende Bereich maximaler Erwärmung durch den Benutzer spezifiziert werden kann.The device according to the invention further includes a user interface, via which a region of maximum heating in the tissue to be heated, into which the corresponding particles are introduced, can be specified. Depending on the application, this area can be set differently by the user. Preferably, the user enters a depth or depth range in which diseased tissue is located. In this tissue depth then the maximum heating should be done. The user interface can be configured as desired. In particular, it comprises a computer with a monitor, by way of which the corresponding area of maximum heating by the user can be specified by means of an input device (eg keyboard or mouse).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von dem magnetischen Moment und dem Trägheitsmoment der Partikel die Frequenz des zweiten Magnetfelds und/oder der Betrag des ersten Magnetfelds automatisch derart eingestellt wird, dass die Partikel im über die Benutzerschnittstelle spezifizierten Bereich zu Rotationsschwingungen derart angeregt werden, dass sie im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz schwingen. Somit werden die Schwingungsamplitude der Partikel und die absorbierte Energie maximal, wodurch eine sehr hohe Erwärmung in diesem Bereich gewährleistet wird.The device according to the invention is characterized in that, depending on the magnetic moment and the moment of inertia of the particles, the frequency of the second magnetic field and / or the magnitude of the first magnetic field are automatically set such that the particles in the area specified by the user interface become such in rotation be excited that they oscillate substantially at the resonant frequency. Thus, the vibration amplitude of the particles and the absorbed energy become maximum, thereby ensuring a very high heating in this range.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Partikel im menschlichen oder tierischen Gewebe bei geeigneter Einstrahlung eines magnetischen Gradientenfelds und eines hochfrequenten magnetischen Felds in Resonanz versetzt werden können, wobei durch die Steuerung der Frequenz des magnetischen Wechselfelds bzw. der Magnetfeldstärke des Gradientenfelds der Ort verändert werden kann, an dem Resonanz und somit maximale Erwärmung auftritt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen können somit viel gezielter die von dem Benutzer gewünschten und über eine Benutzerschnittstelle spezifizierten Gewebebereiche erwärmt werden.The invention is based on the finding that particles in the human or animal tissue can be set in resonance with suitable irradiation of a magnetic gradient field and a high-frequency magnetic field, wherein the location is changed by controlling the frequency of the alternating magnetic field or the magnetic field strength of the gradient field can, at the resonance and thus maximum heating occurs. In contrast to conventional devices, the tissue areas desired by the user and specified via a user interface can thus be heated in a much more targeted manner.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei festem erstem Magnetfeld die Frequenz des zweiten Magnetfelds automatisch eingestellt wird, um die Partikel im über die Benutzerschnittstelle spezifizierten Bereich mit der Resonanzfrequenz schwingen zu lassen. Es wird somit als einzige Stellgröße das hochfrequente Magnetfeld verändert, um hierdurch die Resonanzfrequenz zu variieren, was wiederum dazu führt, dass aufgrund der räumlichen Veränderung des Gradientenfelds der Gewebebereich mit resonant schwingenden Partikeln und damit der Bereich der maximalen Erwärmung verändert wird.In a particularly preferred embodiment, the device according to the invention is configured in such a way that, when the first magnetic field is fixed, the frequency of the second magnetic field is set automatically in order to oscillate the particles at the resonance frequency specified in the user interface. The high-frequency magnetic field is thus changed as the only manipulated variable, in order thereby to vary the resonance frequency, which in turn causes the tissue area to be changed with resonantly oscillating particles and thus the area of maximum heating due to the spatial change of the gradient field.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist über die Benutzerschnittstelle spezifizierbar, welche Partikel in dem zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind. Dabei ist für jede Partikelart das entsprechende magnetische Moment und Trägheitsmoment in der Vorrichtung hinterlegt, um auf diese Weise den Bereich maximaler Erwärmung durch Variation des Hochfrequenzfelds bzw. des Gradientenfelds geeignet einzustellen. Gegebenenfalls besteht dabei die Möglichkeit, dass ein Benutzer auch explizit über die Benutzerschnittstelle das magnetische Moment und das Trägheitsmoment der verwendeten Partikel eingibt bzw. Größen hinterlegt, aus denen diese Parameter zur Ermittlung der Resonanzfrequenz bestimmt werden können.In a further embodiment of the device according to the invention, it can be specified via the user interface which particles are introduced into the tissue to be heated. In this case, the corresponding magnetic moment and moment of inertia are stored in the device for each particle type, in order in this way to suitably set the range of maximum heating by varying the high-frequency field or the gradient field. Optionally, there is the possibility that a user also explicitly inputs via the user interface the magnetic moment and the moment of inertia of the particles used or deposited quantities from which these parameters can be determined to determine the resonant frequency.

In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Magnetfeldeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie ein erstes Magnetfeld mit sich räumlich verändernden magnetischen Feldstärken im Bereich zwischen 0,05 und 5 Tesla, insbesondere zwischen 0,1 und 1 Tesla, erzeugen kann. Solche Magnetfeldstärken können üblicherweise mit für Magnetic-Drug-Targeting verwendeten Elektromagneten generiert werden. Insbesondere kann die erste Magnetfeldeinrichtung einen Elektromagneten mit einem benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positionierbaren Polschuh umfassen. Vorzugsweise ist die Amplitude des zweiten Magnetfelds wesentlich geringer als die des ersten Magnetfelds und liegt insbesondere unterhalb von 0,1 Tesla.In a further variant of the device according to the invention, the first magnetic field device is designed such that it can generate a first magnetic field with spatially varying magnetic field strengths in the range between 0.05 and 5 Tesla, in particular between 0.1 and 1 Tesla. Such magnetic field strengths can usually be generated with electromagnets used for magnetic drug targeting. In particular, the first magnetic field device may comprise an electromagnet with a pole piece which can be positioned adjacent to the tissue to be heated. Preferably, the amplitude of the second magnetic field is substantially less than that of the first magnetic field and is in particular below 0.1 Tesla.

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete zweite Magnetfeldeinrichtung umfasst vorzugsweise eine oder mehrere, über einen Hochfrequenz-Generator betriebene Hochfrequenz-Antennen, welche benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positionierbar sind. Vorzugsweise sind dabei die Amplitude und Phase des von der oder den Hochfrequenz-Antennen erzeugten magnetischen Felds einstellbar. Auf diese Weise kann gezielt das hochfrequente Wechselfeld an gewünschten zu erwärmenden Gewebebereichen eingebracht werden.The second magnetic field device used in the device according to the invention preferably comprises one or more high-frequency antennas operated via a high-frequency generator, which can be positioned adjacent to the tissue to be heated. Preferably, the amplitude and phase of the magnetic field generated by the one or more high frequency antennas are adjustable. In this way, the high-frequency alternating field can be selectively introduced to desired tissue areas to be heated.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zweite Magnetfeldeinrichtung eine oder mehrere, über einen Hochfrequenz-Generator betriebene Hochfrequenz-Spulen, welche wiederum benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positionierbar sind. Dabei können die Hochfrequenz-Spulen bzw. die oben erwähnten Hochfrequenz-Antennen z. B. auf der Haut eines Patienten aufgesetzt werden, wobei sich unter dem Hautbereich, auf dem sich die Antennen bzw. Spulen befinden, das zu erwärmende Gewebe in einer vorbestimmten Tiefe befindet. Gegebenenfalls können die Antennen bzw. Spulen auch in einem vorgegebenen Abstand von der Haut des Patienten angeordnet sein.In a further embodiment of the device according to the invention, the second magnetic field device comprises one or more high-frequency coils which are operated via a high-frequency generator and in turn can be positioned adjacent to the tissue to be heated. In this case, the high-frequency coils or the above-mentioned high-frequency antennas z. B. are placed on the skin of a patient, which is below the skin area on which the antennas or coils are located, the tissue to be heated at a predetermined depth. Optionally, the antennas or coils may also be arranged at a predetermined distance from the skin of the patient.

Die Hochfrequenz-Spulen gemäß der oben beschriebenen Variante der Erfindung umfassen vorzugsweise eine oder mehrere, im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Flachspulen bzw. Spiralspulen, wobei die Flachspulen insbesondere ein oder mehrere Paare von nebeneinander angeordneten Flachspulen bilden, wobei im Betrieb der Flachspulen vorzugsweise die Stromrichtung der einen Flachspule eines jeweiligen Paars entgegengesetzt zur Stromrichtung der anderen Flachspule des jeweiligen Paar ist. Auf diese Weise kann sehr gut ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden, welches senkrecht auf einem sich vertikal in das Patientengewebe erstreckenden magnetischen Gradientenfeld steht.The high-frequency coils according to the above-described variant of the invention preferably comprise one or more flat coils or spiral coils arranged substantially in one plane, wherein the flat coils in particular form one or more pairs of flat coils arranged side by side, wherein the current direction preferably during operation of the flat coils which is a flat coil of a respective pair opposite to the current direction of the other flat coil of the respective pair. In this way, a magnetic alternating field can be generated very well, which is perpendicular to a vertically extending into the patient tissue magnetic gradient field.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zweite Magnetfeldeinrichtung einen Ferritkern, insbesondere in der Form eines Ferritrings. Hierdurch kann ein magnetischer Rückschluss erzeugt werden, um die Dichte des magnetischen Wechselfelds im Gewebe zu erhöhen.In a further embodiment of the device according to the invention, the second magnetic field device comprises a ferrite core, in particular in the form of a ferrite ring. As a result, a magnetic inference can be generated in order to increase the density of the alternating magnetic field in the tissue.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die oben beschriebenen Partikel einen Teil dieser Vorrichtung bilden, sind diese Partikel derart ausgestaltet, dass sie eine maximale räumliche Ausdehnung zwischen 1 und 200 nm, insbesondere zwischen 2 und 100 nm und vorzugsweise zwischen 2 und 25 nm, aufweisen. Vorzugsweise weisen die in das Gewebe eingebrachten Partikel im Wesentlichen das gleiche oder ein ähnliches Trägheitsmoment sowie das gleiche oder ein ähnliches magnetisches Moment auf. Auf diese Weise kann der räumliche Bereich, an dem maximale Erwärmung auftritt, sehr eng begrenzt werden. Durch eine entsprechende Streuung dieser Eigenschaften kann demgegenüber eine Aufweitung des räumlichen Bereichs mit maximaler Erwärmung erreicht werden.In a further embodiment of the device according to the invention in which the particles described above form part of this device, these particles are designed such that they have a maximum spatial extent between 1 and 200 nm, in particular between 2 and 100 nm and preferably between 2 and 25 nm. Preferably, the particles introduced into the tissue have substantially the same or a similar moment of inertia and the same or a similar magnetic moment. In this way, the spatial area where maximum heating occurs can be very narrowly limited. By a corresponding scattering of these properties, on the other hand, a widening of the spatial area with maximum heating can be achieved.

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Partikel können unterschiedlich ausgestaltet sein. Wesentlich ist lediglich, dass sie ein vorgegebenes magnetisches Moment in der Form eines entsprechenden magnetischen Momentvektors aufweisen. Insbesondere umfassen die Partikel zur Generierung des magnetischen Moments ferro- oder ferrimagnetisches Material, z. B. Eisen und/oder Kobalt und/oder Fe₂O₃ (in der als Maghemit bezeichneten Modifikation) und/oder Fe₃O₄ (auch als Magnetit bezeichnet). Die Partikel können gegebenenfalls nur aus diesen Materialien bestehen und somit nur eine Erwärmung des Gewebes bewirken. Gegebenenfalls besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Partikel einen medizinischen Wirkstoff tragen, der insbesondere als Hülle um den Kern des jeweiligen Partikels angeordnet ist. Die Hülle kann so gestaltet werden, dass sie den Wirkstoff vorzugsweise nur bei Erwärmung freisetzt. Der Kern umfasst dabei vorzugsweise ein oder mehrere der oben genannten magnetischen Materialien und dient zur Erzeugung des magnetischen Moments des Partikels. Auf diese Weise kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur die lokale Erwärmung des Gewebes, sondern auch eine effiziente lokale Behandlung von krankhaftem Gewebe, insbesondere von Tumorgewebe, mit einen medizinischen Wirkstoff, insbesondere einem zellschädigenden Medikament (z. B. Zytostatika), erreicht werden. Der Körper wird damit mit erheblich weniger Wirkstoff belastet als bei einer üblichen systemischen Wirkstoffgabe.The particles used in the device according to the invention can be designed differently. It is only essential that they have a given magnetic moment in the form of a corresponding magnetic moment vector. In particular, the particles for generating the magnetic moment include ferromagnetic or ferrimagnetic material, for. As iron and / or cobalt and / or Fe ₂ O ₃ (in the modification called maghemite) and / or Fe ₃ O ₄ (also referred to as magnetite). If appropriate, the particles can only consist of these materials and thus only cause heating of the tissue. Optionally, however, there is also the possibility that the particles carry a medicinal agent, which is arranged in particular as a shell around the core of the respective particle. The sheath can be designed so that it releases the active ingredient preferably only when heated. The core preferably comprises one or more of the above-mentioned magnetic materials and serves to generate the magnetic moment of the particle. In this way, with the device according to the invention, not only the local heating of the tissue, but also an efficient local treatment of diseased tissue, in particular of tumor tissue, with a medicinal active substance, in particular a cell-damaging medicament (eg cytostatics) can be achieved. The body is thus burdened with significantly less active ingredient than in a conventional systemic drug delivery.

Um die Energieabsorption auf der Haut eines Patienten möglichst gering zu halten, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren Variante einen an sich bekannten Wasser-Bolus, der im Betrieb der Vorrichtung zwischen dem zu erwärmenden Gewebe und der zweiten Magnetfeldeinrichtung positioniert werden kann.In order to keep the energy absorption on the skin of a patient as low as possible, the device according to the invention comprises in a further variant a known water bolus, which can be positioned during operation of the device between the tissue to be heated and the second magnetic field device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung, welche die Behandlung eines Patienten mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung wiedergibt; 1 a schematic representation showing the treatment of a patient with an embodiment of the medical device according to the invention;

2 eine schematische Draufsicht auf Flachspulen, welche in der Vorrichtung der 1 zur Generierung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfelds eingesetzt werden; und 2 a schematic plan view of flat coils, which in the device of 1 be used to generate a high-frequency alternating magnetic field; and

3 eine schematische Darstellung, welche die im Rahmen der Behandlung gemäß 1 erzeugten Magnetfelder im menschlichen Gewebe und die darin enthaltenen Nanopartikel verdeutlicht. 3 a schematic representation, which in accordance with the treatment 1 generated magnetic fields in the human tissue and the nanoparticles contained therein clarifies.

1 zeigt die Behandlung eines Patienten basierend auf einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Patient P befindet sich dabei auf einer Patientenliege 7, und im Rahmen der Behandlung wird ein abgegrenzter Bereich seines Gewebes im rechten Bauchbereich mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung erwärmt. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Elektromagneten 1 in der Form einer großen Magnetspule, welche an einem vertikalen Schenkel 3 drehbar befestigt ist. Der Schenkel ist dabei Teil eines Wagens 4, mit dem die Magnetspule hin zu der zu behandelnden Körperregion gefahren werden kann. Durch die Magnetspule wird ein zeitlich konstantes magnetisches Gradientenfeld erzeugt, dessen Feldlinien aus dem mit Bezugszeichen 2 bezeichneten Polschuh herauslaufen. Der Polschuh wird dabei unmittelbar benachbart zu der Hautregion positioniert, dessen darunter liegendes Gewebe erwärmt werden soll. Der Aufbau der Magnetfeldeinrichtung mit Magnetspule 1 und Polschuh 2 ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird herkömmlicherweise zum eingangs beschriebenen Magnetic-Drug-Targeting verwendet. 1 shows the treatment of a patient based on an embodiment of the device according to the invention. The patient P is on a patient bed 7 and in the course of the treatment a delimited area of its tissue in the right abdominal region is heated by means of the device described below. The device comprises an electromagnet 1 in the form of a large magnetic coil, which on a vertical leg 3 is rotatably mounted. The thigh is part of a car 4 with which the magnetic coil can be driven to the body region to be treated. By the magnetic coil a temporally constant magnetic gradient field is generated, whose field lines from the reference numeral 2 run out designated pole piece. The pole piece is thereby positioned immediately adjacent to the skin region whose underlying tissue is to be heated. The structure of the magnetic field device with magnetic coil 1 and pole piece 2 is in itself known from the prior art and is conventionally used for the above-described magnetic drug targeting.

Im Rahmen der Behandlung werden dem Patienten über seine Blutbahn magnetische Partikel (sog. Nanopartikel) mit Durchmessern im Bereich einiger Nanometer zugeführt. Diese Nanopartikel weisen ein vorgegebenes magnetisches Moment auf und bestehen beispielsweise aus Magnetit. In der hier beschriebenen Ausführungsform beinhalten die Partikel ferner eine Hülle mit medizinischem Wirkstoff, dessen Freisetzung durch lokale Erwärmung des entsprechenden Gewebebereichs beschleunigt bzw. erst ermöglicht wird. Über das magnetische Gradientenfeld der Magnetspule 1 wird dabei eine Anhäufung der Nanopartikel im zu erwärmendem Gewebebereich aufgrund der durch das Magnetfeld auf die Partikel wirkende Magnetkraft erreicht. Die Vorrichtung der 1 dient insbesondere zur Behandlung von Krebserkrankungen, wobei der Wirkstoff auf den Nanopartikeln vorzugsweise zellschädigende Medikamente (sog. Zytostatika) umfasst. Durch die lokale Anhäufung der Nanopartikel im krankhaften Gewebebereich und der anschließenden Erwärmung dieses Gewebebereichs kann eine sehr fokussierte Freisetzung des Medikaments ausschließlich in der kranken Geweberegion erreicht werden.As part of the treatment, magnetic particles (so-called nanoparticles) with diameters in the range of a few nanometers are supplied to the patient via his bloodstream. These nanoparticles have a given magnetic moment and consist for example of magnetite. In the embodiment described here, the particles further include a medical active-substance shell, the release of which is accelerated or made possible by local heating of the corresponding tissue region. Via the magnetic gradient field of the magnetic coil 1 In this case, an accumulation of the nanoparticles in the tissue area to be heated is achieved due to the magnetic force acting on the particles by the magnetic field. The device of 1 is used in particular for the treatment of cancers, wherein the active ingredient on the nanoparticles preferably comprises cell-damaging drugs (so-called cytostatics). Due to the local accumulation of nanoparticles in the diseased tissue area and the subsequent warming of this tissue area, a very focused release of the drug can only be achieved in the diseased tissue region.

Die Erwärmung des Gewebebereichs wird in der Vorrichtung der 1 mit Hilfe von schematisch angedeuteten Hochfrequenzspulen 5 erreicht, welche auf der Patientenhaut oberhalb des kranken Gewebes positioniert werden. Die Spulen sind mit einem Hochfrequenz-Generator 6 verbunden, durch den über die Spulen ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld generiert wird, das den Gewebebereich unterhalb der Spulen erwärmt. Die dargestellte Vorrichtung umfasst ferner einen Rechner 8 mit Monitor, wobei der Rechner zum einen eine Benutzerschnittstelle für medizinisches Bedienpersonal darstellt und zum anderen die richtige Einstellung des hochfrequenten Magnetfelds ermittelt und basierend darauf den Hochfrequenzgenerator ansteuert.The heating of the tissue area is in the device of 1 with the help of schematically indicated high-frequency coils 5 reached, which are positioned on the patient's skin above the diseased tissue. The coils are equipped with a high frequency generator 6 connected by the coils on the high-frequency alternating magnetic field is generated, which heats the tissue area below the coils. The illustrated device further comprises a computer 8th with a monitor, wherein the computer on the one hand represents a user interface for medical operating personnel and on the other hand determines the correct setting of the high-frequency magnetic field and based on the high-frequency generator drives.

Im Unterschied zu bekannten Vorrichtungen zur Erwärmung von Gewebe ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr selektive Auswahl des Gewebebereichs, der erwärmt werden soll. Dies wird dadurch erreicht, dass die Nanopartikel, welche aufgrund des Magnetfelds der Magnetspule 1 sowie des magnetischen Wechselfelds 5 ein schwingungsfähiges System bilden, nur in denjenigen Geweberegionen mit ihrer Resonanzfrequenz schwingen, in denen die Erwärmung stattfinden soll. Im Falle der resonanten Rotationsschwingung der Partikel ist die Schwingungsamplitude am höchsten und somit die absorbierte Energie maximal, was zur größtmöglichen Erwärmung führt. Aufgrund der Tatsache, dass das magnetische Feld der Spule 1 mit zunehmendem Abstand von der Spule abnimmt und die Resonanzfrequenz unter anderem von der Stärke des Magnetfelds abhängt, kann über geeignete Wahl des eingestrahlten Hochfrequenzfelds der Ort im Gewebe festgelegt werden, an dem Resonanzschwingungen auftreten sollen. Das physikalische Prinzip der Anregung von Resonanzschwingungen für die im Gewebe befindlichen Nanopartikel wird weiter unten nochmals detailliert anhand von 3 erläutert.In contrast to known devices for heating tissue, the device according to the invention allows a very selective selection of the tissue area to be heated. This is achieved by the fact that the nanoparticles, which due to the magnetic field of the magnetic coil 1 and the alternating magnetic field 5 form a vibratory system, swing only in those tissue regions with their resonant frequency in which the heating is to take place. In the case of the resonant rotational vibration of the particles, the vibration amplitude is highest and thus the maximum absorbed energy, which leads to the greatest possible warming. Due to the fact that the magnetic field of the coil 1 decreases with increasing distance from the coil and the resonant frequency depends inter alia on the strength of the magnetic field, can be determined by a suitable choice of the radiated high frequency field, the location in the tissue at which resonant vibrations should occur. The physical principle of the excitation of resonant vibrations for the nanoparticles present in the tissue will be described in more detail below 3 explained.

Im Rahmen der Behandlung des Patienten kann das medizinische Personal über die Benutzerschnittstelle 8 in geeigneter Weise spezifizieren, in welcher Tiefe im Gewebe sich der krankhafte Bereich befindet. Basierend darauf errechnet dann die Vorrichtung automatisch diejenige Frequenz des magnetischen Hochfrequenzfelds, mit der in der spezifizierten Tiefe die Nanopartikel zu resonanten Schwingungen angeregt werden. Bei dieser Berechnung fließt ferner das Trägheitsmoment der einzelnen Partikel und deren magnetisches Moment ein. Entsprechende Werte dieser Größen sind dabei in der Vorrichtung hinterlegt bzw. können gegebenenfalls auch durch das Bedienpersonal spezifiziert werden. In der Regel weisen die zugeführten Nanopartikel die gleiche bzw. eine ähnliche Größe auf, wodurch sichergestellt wird, dass die Erwärmung lokal begrenzt ist. Durch entsprechende Variation der Trägheitsmomente und/oder magnetischen Momente der verwendeten Nanopartikel kann dabei in geeigneter Weise der Bereich, in dem die Erwärmung erfolgen soll, vergrößert bzw. verkleinert werden.As part of the treatment of the patient, the medical staff can use the user interface 8th suitably specify the depth at which the diseased area is located in the tissue. Based on this, the device then automatically calculates the frequency of the magnetic high-frequency field with which the nanoparticles are excited to resonant vibrations at the specified depth. In addition, the moment of inertia of the individual particles and their magnetic moment are included in this calculation. Corresponding values of these variables are stored in the device or can optionally also by the operating personnel are specified. In general, the supplied nanoparticles have the same or a similar size, which ensures that the heating is locally limited. By appropriate variation of the moments of inertia and / or magnetic moments of the nanoparticles used, the area in which the heating is to take place can be increased or reduced in a suitable manner.

2 zeigt zur Verdeutlichung eine Draufsicht auf die in der Magnetfeldeinrichtung 5 der 1 verwendeten Flachspulen. Es werden dabei die beiden Flachspulen 5a und 5b verwendet, welche die Form von Kreisen aufweisen, die in einem Teilbereich jedoch abgeflacht sind. Insbesondere umfassen beide Spulen an ihren aufeinander zuweisenden Innenseiten einen geraden Spulenabschnitt, der in 1 in vertikaler Richtung verläuft. An diesen Abschnitt schließen sich entsprechende kreisförmige gebogene Abschnitte an, welche von einer Seite des geraden Abschnitts in die andere Seite des geraden Abschnitts laufen. Durch Pfeile AR wird die Stromrichtung in den jeweiligen Flachspulen wiedergegeben. Man erkennt dabei, dass die Stromrichtung in der linken Spule 5a entgegengesetzt zu der Stromrichtung in der rechten Spule 5b ist. Über das Paar von Spulen kann effizient ein magnetisches Wechselfeld dem Patientengewebe zugeführt werden, wobei die Magnetfeldlinien derart verlaufen, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu den Magnetfeldlinien der Magnetspule 1 der 1 sind, wie in der weiter unten beschriebenen 3 ersichtlich wird. Erfindungswesentlich ist dabei, dass das mit den Spulen 5a und 5b erzeugte magnetische Wechselfeld eine Magnetfeldkomponente aufweist, welche senkrecht zu den Magnetfeldlinien des über die Magnetspule 1 erzeugten Magnetfelds ist, da ansonsten die Nanopartikel im Gewebe nicht zu Schwingungen angeregt werden können. Die Darstellung der 2 ist stark schematisiert. Insbesondere ist nicht ersichtlich, dass die einzelnen. Windungen der jeweiligen Spulen untereinander verbunden sind, wodurch sich ein Verlauf der Windungen nach Art einer Spirale ergibt. 2 shows for clarity a plan view of the in the magnetic field device 5 of the 1 used flat coils. It will be the two flat coils 5a and 5b used, which have the form of circles, which are flattened in a partial area. In particular, both coils comprise on their facing inner sides of a straight coil section which in 1 in the vertical direction. This section is followed by corresponding circular arcuate sections which run from one side of the straight section to the other side of the straight section. Arrows AR reflect the current direction in the respective flat coils. It can be seen that the current direction in the left coil 5a opposite to the current direction in the right coil 5b is. Via the pair of coils, an alternating magnetic field can be efficiently supplied to the patient tissue, the magnetic field lines being such that they are substantially perpendicular to the magnetic field lines of the magnetic coil 1 of the 1 are as described below 3 becomes apparent. Essential to the invention is that with the coils 5a and 5b generated alternating magnetic field has a magnetic field component which is perpendicular to the magnetic field lines of the magnetic coil 1 generated magnetic field, otherwise the nanoparticles in the tissue can not be excited to vibrate. The presentation of the 2 is highly schematic. In particular, it is not apparent that the individual. Windings of the respective coils are interconnected, resulting in a course of the turns in the manner of a spiral.

3 zeigt im Schnitt eine Detailansicht des Polschuhs 2 aus 1 mit dem darunter liegenden Gewebe des behandelten Patienten. Dabei wird mit Bezugszeichen H die Haut des Patienten angedeutet. Das Gewebe des Patienten liegt somit unterhalb der als Linie wiedergegebenen Haut H. Aus 3 ist ferner die Spulenanordnung der 2 ersichtlich, welche nunmehr im Schnitt gezeigt ist. Man erkennt insbesondere am linken bzw. rechten Rand der Figur die äußeren Windungen der Spulen 5a bzw. 5b mit aus der Blattebene herauslaufender Stromrichtung. Ferner sind unterhalb des Polschuhs 2 die jeweils vier Wicklungen der geraden Spulenbereiche mit der in die Blattebene hineinlaufenden Stromrichtung ersichtlich. Die hier beschriebene Ausführungsform der Magnetfeldvorrichtung beinhaltet ferner einen schematisch angedeuteten Ferritring, der um die äußeren Windungen der Spulen herumläuft und mit Bezugszeichen 5c angedeutet ist. Die äußeren Windungen der Spulen können z. B. an der Unterseite des Ringkerns angeklebt werden. Mit dem Ferritring an der Spulenrückseite wird ein magnetischer Rückschluss gebildet, der das Hochfrequenz-Nutzfeld im Gewebe erhöht und auf der Rückseite teilweise abschirmt. 3 shows in section a detail view of the pole piece 2 out 1 with the underlying tissue of the treated patient. In this case, the reference numeral H indicates the skin of the patient. The tissue of the patient thus lies below the skin reproduced as a line H. Aus 3 is also the coil assembly of 2 can be seen, which is now shown in section. It can be seen in particular on the left or right edge of the figure, the outer turns of the coils 5a respectively. 5b with out of the sheet plane outflow direction. Further, below the pole piece 2 the four windings of the straight coil areas can be seen with the current direction running into the sheet plane. The embodiment of the magnetic field device described herein further includes a schematically indicated ferrite ring which passes around the outer turns of the coils and with reference numerals 5c is indicated. The outer turns of the coils can, for. B. are glued to the underside of the toroidal core. With the ferrite ring on the back of the coil, a magnetic return is formed, which increases the high-frequency field of use in the tissue and partially shields it on the back.

In 3 ist das Magnetfeld der Magnetspule 1 durch Feldlinien M1 angedeutet, welche aus dem Polschuh 2 herauslaufen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur einige der Feldlinien mit dem Bezugszeichen M1 versehen. Die Magnetfeldlinien der Hochfrequenz-Spulen verlaufen demgegenüber in konzentrischen Kreisen und sind in 3 mit M2 bezeichnet, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen wiederum nicht alle Linien mit diesem Bezugszeichen versehen sind. Man erkennt aus 3 insbesondere, dass die Magnetfeldlinien des Gradientenfelds M1 im Wesentlichen senkrecht auf den Magnetfeldlinien des Wechselfelds M2 stehen. In 3 ist ferner beispielhaft ein im Rahmen der Erfindung verwendetes Nanopartikel gezeigt, das mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist. Das Nanopartikel umfasst in der hier gezeigten Ausführungsform einen ferromagnetischen Kern 9a, der vorzugsweise aus Fe₃O₄ (Magnetit) besteht. Um den Kern 9a ist eine Hülle 9b angeordnet, welche einen entsprechenden medizinischen Wirkstoff enthält.In 3 is the magnetic field of the magnetic coil 1 indicated by field lines M1, which from the pole piece 2 run out. For reasons of clarity, only some of the field lines are designated by the reference symbol M1. The magnetic field lines of the high-frequency coils run in contrast in concentric circles and are in 3 denoted by M2, again not all lines are provided with this reference numerals for reasons of clarity. One recognizes 3 in particular, that the magnetic field lines of the gradient field M1 are substantially perpendicular to the magnetic field lines of the alternating field M2. In 3 Furthermore, an example of a nanoparticle used in the context of the invention is shown by the reference numeral 9 is designated. The nanoparticle in the embodiment shown here comprises a ferromagnetic core 9a , which preferably consists of Fe ₃ O ₄ (magnetite). To the core 9a is a shell 9b arranged, which contains a corresponding medicinal agent.

In 3 ist ferner eine Detailansicht DE des Nanopartikels 9 wiedergegeben. Man erkennt in dieser Detailansicht, dass das Nanopartikel ein magnetisches Moment m aufweist, das durch einen Pfeil wiedergegeben ist. Ferner ist durch den Ursprung des Nanopartikels ein Koordinatensystem mit einer x- und einer y-Achse angedeutet. Ohne magnetisches Wechselfeld richtet sich der Vektor des magnetischen Moments in Richtung der Feldlinien des Magnetfelds M1 aus. Die y-Achse verläuft dabei in Richtung einer Magnetfeldlinie des Felds M1 hin zum Polschuh 2. Das Nanopartikel bildet ein schwingungsfähiges System, welches durch Anlegen des hochfrequenten Wechselfelds M2 um die senkrecht zu dem Koordinatensystem verlaufende und sich in die Blattebene erstreckende Achse rotieren kann, was durch den gebogenen Doppelpfeil AR' angedeutet ist. Durch eine Winkelauslenkung in Richtung des Pfeils AR', welche durch das hochfrequente magnetische Feld hervorgerufen wird, erfahren die jeweiligen Partikel eine Rückstellkraft und ein damit verbundenes Drehmoment D, wobei der folgende, an sich bekannte Zusammenhang zwischen Drehmoment D und dem magnetischen Momentvektor m bzw. dem Magnetfeldvektor B des zeitlich konstanten Magnetfelds M1 besteht: dD/dα = mB (1). In 3 is also a detailed view DE of the nanoparticle 9 played. It can be seen in this detail view that the nanoparticle has a magnetic moment m, which is represented by an arrow. Furthermore, a coordinate system with an x and a y axis is indicated by the origin of the nanoparticle. Without an alternating magnetic field, the vector of the magnetic moment aligns in the direction of the field lines of the magnetic field M1. The y-axis runs in the direction of a magnetic field line of the field M1 towards the pole piece 2 , The nanoparticle forms a vibratory system which can rotate by applying the high-frequency alternating field M2 to the axis extending perpendicular to the coordinate system and extending into the plane of the sheet, which is indicated by the curved double arrow AR '. By an angular deflection in the direction of the arrow AR ', which is caused by the high-frequency magnetic field, the respective particles undergo a restoring force and a torque D associated therewith, the following, known per se relationship between torque D and the magnetic torque vector m or the magnetic field vector B of the temporally constant magnetic field M1 consists of: dD / dα = mB (1).

Da jedes Partikel ein Trägheitsmoment aufweist, ergibt sich hieraus in an sich bekannter Weise die Resonanzfrequenz für die Rotationsschwingung dieses schwingungsfähigen Systems wie folgt: f = 1/2π(mB/J)^1/2 (2). Since each particle has a moment of inertia, the resonance frequency for the rotational oscillation of this oscillatory system results from this in a manner known per se, as follows: f = 1 / 2π (mB / J) ^1/2 (2).

J bezeichnet dabei das Trägheitsmoment. Da die Partikel näherungsweise Kugeln sind, kann das Trägheitsmoment basierend auf dem Radius des jeweiligen Partikels wie folgt ermittelt werden: J = m_pr²/2,5 (3) J denotes the moment of inertia. Since the particles are approximately spheres, the moment of inertia can be determined based on the radius of each particle as follows: J = m _p r ² / 2.5 (3)

Dabei bezeichnet m_p die Masse des jeweiligen Partikels und r den Radius desselben.Here m _p denotes the mass of the respective particle and r the radius of the same.

In der hier beschriebenen Vorrichtung kann für verschiedene Tiefen im Gewebe in an sich bekannter Weise die Größe B des radial in Richtung weg vom Polschuh abfallenden Magnetfelds M1 bestimmt werden. Ein Benutzer kann dabei über die Benutzerschnittstelle 8 der 1 eine Tiefe im Gewebe mit maximaler Erwärmung spezifizieren. Aus dieser Tiefe kann dann die Größe B des Magnetfelds M1 an diesem Ort ermittelt werden. Hieraus ergibt sich dann mit der obigen Gleichung (2) die Resonanzfrequenz, da das magnetische Moment und das Trägheitsmoment des Partikels bekannt sind. Mit dieser Resonanzfrequenz wird dann der Hochfrequenzgenerator 6 betrieben, wodurch die Winkelamplitude des Partikels und damit die Energieabsorption genau in der von dem Benutzer spezifizierten Tiefe maximal werden. Durch geeignete Abstimmung der Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfelds M2 können so der Ort der Resonanz und die Tiefe maximaler Erwärmung eingestellt werden. Es eröffnet sich somit ein neuer therapeutischer Freiheitsgrad durch die gezielte lokalisierte Anwendung der Hyperthermie. In 3 ist beispielhaft ein Bereich A mit maximaler Energieabsorption angedeutet, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden kann. Man erkennt, dass sehr gezielt nur bestimmte Gewebebereiche erwärmt werden können und auch nur in diesen Bereichen zellzerstörende Medikamente eingebracht werden können.In the device described here, the size B of the magnetic field M1 falling radially away from the pole piece can be determined for different depths in the tissue in a manner known per se. A user can do this via the user interface 8th of the 1 specify a depth in the tissue with maximum warming. From this depth, the size B of the magnetic field M1 can then be determined at this location. From this, with the above equation (2), the resonant frequency results since the magnetic moment and the moment of inertia of the particle are known. With this resonant frequency then the high frequency generator 6 operated, whereby the angular amplitude of the particle and thus the energy absorption are at a maximum in the depth specified by the user. By suitable tuning of the frequency of the high-frequency magnetic field M2, the location of the resonance and the depth of maximum heating can thus be adjusted. This opens up a new therapeutic degree of freedom through the targeted localized application of hyperthermia. In 3 For example, a region A with maximum energy absorption is indicated, which can be produced by the device according to the invention. It can be seen that only specific areas of tissue can be heated in a targeted manner and that it is only in these areas that cell-destroying medicaments can be introduced.

Im Folgenden wird beispielhaft abgeschätzt, in welchem Bereich die Frequenzen des Hochfrequenzfelds eingestellt werden müssen, um für an sich bekannte Magnetitpartikel mit und ohne Wirkstoffhülle eine Resonanz in einer Gewebetiefe von bis zu 50 mm zu erreichen. Es wird dabei von Magnetitpartikeln ausgegangen, deren Magnetitkern folgende Eigenschaften aufweist:
Der Radius r des Magnetitkerns liegt zwischen 2,5 und 25 nm;
die Dichte des Kerns liegt bei 5200 kg/m³;
die Magnetisierung des Kerns beträgt 500 kA/m;
das Volumen V des Kerns liegt zwischen 6,5 × 10^–26 und 6,5 × 10^–23 m³;
die Masse des Kerns liegt zwischen 3,4 × 10^–22 und 3,4 × 10^–19 kg;
das magnetische Moment m liegt zwischen 3,3 × 10^–20 und 3,3 × 10^–17 Am²;In the following it is estimated by way of example in which range the frequencies of the high-frequency field have to be adjusted in order to achieve a resonance in a tissue depth of up to 50 mm for known magnetite particles with and without an active substance shell. It is based on magnetite particles whose magnetite core has the following properties:
The radius r of the magnetite core is between 2.5 and 25 nm;
the density of the core is at 5200 kg / m ^3;
the magnetization of the core is 500 kA / m;
the volume V of the core is between 6.5 × 10 ^-26 and 6.5 × 10 ^-23 m ³ ;
the mass of the core is between 3.4 × 10 ^-22 and 3.4 × 10 ^-19 kg;
the magnetic moment m is between 3.3 × 10 ^-20 and 3.3 × 10 ^-17 Am ² ;

Im Falle, dass das Magnetpartikel eine Wirkstoffhülle aufweist, liegt der Radius des Partikels zwischen 10 und 100 nm und die Dichte der Hülle beträgt 1000 kg/m³.In the case that the magnetic particle has an active substance shell, the radius of the particle is between 10 and 100 nm and the density of the shell is 1000 kg / m ³ .

Aus den obigen Größen ergibt sich mit der Formel (3) für ein näherungsweise kugelförmiges Nanopartikel ohne Hülle ein Trägheitsmoment J zwischen 8,5 × 10^–40 und 8,5 × 10^–35 kgm². Für ein Nanopartikel mit Wirkstoffhülle liegt das Trägheitsmoment zwischen 1,7 × 10^–37 und 1,7 × 10^–32 kgm².From the above quantities, with the formula (3) for an approximately spherical nanoparticle without a shell, an inertia J of between 8.5 × 10 ^-40 and 8.5 × 10 ^-35 kgm ^{2 is obtained} . For a nanoparticle with an active ingredient shell, the moment of inertia is between 1.7 × 10 ^-37 and 1.7 × 10 ^-32 kgm ² .

Mit der obigen Formel (3) ergibt sich somit für ein Magnetitpartikel ohne Hülle folgender Frequenzbereich für die Resonanzfrequenz, wobei T die Einheit Tesla bezeichnet: f = (1000...100)B^1/2 MHz/T^1/2. Thus, with the above formula (3), for a magnetite particle without shell, the frequency frequency range for the resonant frequency is T, where T denotes the unit Tesla: f = (1000 ... 100) B ^1/2 MHz / T ^1/2 .

Für ein Magnetitpartikel mit Hülle lautet der Frequenzbereich hingegen wie folgt: f = (72...7,2)B^1/2 MHz/T^1/2 For a magnetite particle with a shell, the frequency range is as follows: f = (72 ... 7.2) B ^1/2 MHz / T ^1/2

Geht man von üblichen Feldern um die Magnetspitze des Polschuhs 2 im Bereich von 0,1 bis 1 Tesla aus (entspricht einer räumlichen Tiefe zwischen 0 und 50 mm), muss die Hochfrequenz des Magnetfelds im MHz-Bereich liegen, um die Partikel mit der Resonanzfrequenz schwingen zu lassen.If you go from usual fields around the magnetic tip of the pole piece 2 in the range of 0.1 to 1 Tesla (corresponds to a spatial depth between 0 and 50 mm), the high frequency of the magnetic field must be in the MHz range to vibrate the particles at the resonance frequency.

Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform einer medizinischen Vorrichtung ist lediglich beispielhaft und kann Variationen unterliegen. Insbesondere kann alternativ zur Gestaltung der Magnetfeldeinrichtung 5 in der Form von Flachspulen auch ein Array aus Hochfrequenz-Antennen oder eine einzelne Hochfrequenz-Antenne eingesetzt werden. Vorzugsweise sind dabei Amplitude und Phasenlage jeder Antenne einstellbar, um somit eine Fokussierung des hochfrequenten Felds am gewünschten Ort der Erwärmung zu erreichen.The embodiment of a medical device described above is merely exemplary and may be subject to variations. In particular, as an alternative to the design of the magnetic field device 5 in the form of pancake coils also an array of radio frequency antennas or a single radio frequency antenna can be used. Preferably, the amplitude and phase angle of each antenna are adjustable in order to achieve a focusing of the high-frequency field at the desired location of the heating.

In der Ausführungsform der 1 werden die Flachspulen direkt auf die Körperoberfläche des Patienten aufgelegt. Es ist jedoch auch möglich, die Flachspulen in einem gewissen Abstand von beispielsweise 5 bis 20 cm vom Körper entfernt zu platzieren, wobei der Raum zwischen den Flachspulen und dem Patientenkörper gegebenenfalls mit einem an sich bekannten Wasser-Bolus ausgefüllt werden kann. Die Ankopplung der hochfrequenten Strahlung über einen Wasser-Bolus verringert dabei den Energieabsorptionswert (sog. SAR-Wert, SAR = Specific Absorption Rate) an der Körperoberfläche erheblich, womit letztlich eine größere Hochfrequenz-Leistung in den menschlichen Körper eingebracht werden kann, ohne gesundes Gewebe zu schädigen.In the embodiment of the 1 The flat coils are placed directly on the body surface of the patient. However, it is also possible to place the flat coils at a certain distance of, for example, 5 to 20 cm from the body, wherein the space between the flat coils and the patient's body can optionally be filled with a known water bolus. The coupling of the high-frequency radiation via a water bolus thereby significantly reduces the energy absorption value (so-called SAR value, SAR = Specific Absorption Rate) on the body surface, with the result that a greater high-frequency power can ultimately be introduced into the human body, without healthy tissue to harm.

Die im Vorangegangenen beschriebene Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung eine Tiefenselektion der maximalen Energieabsorption, so dass gezielt bestimmte Gewebebereiche, wie z. B. tiefer liegende Tumore, behandelt werden können, wenn magnetische Nanopartikel mit einem Wirkstoff verwendet werden, der nur dann abgeben wird, wenn die Nanopartikel einem hochfrequenten Magnetfeld ausgesetzt werden, bzw. dessen Toxizität mit zunehmender Temperatur stark ansteigt. Die durch ein stark ansteigendes Gradientenfeld bevorzugt nahe der Körperoberfläche angereicherten Partikel setzen demnach keinen Wirkstoff frei bzw. entfalten keine toxische Wirkung, wenn in diesen Bereichen keine Resonanz auftritt. Damit erfolgt auch keinerlei Schädigung des Gewebes, und die Partikel mit Wirkstoff werden aus diesem oberflächennahen Bereich wieder aus dem Körper ausgeschieden. Das magnetische Gradientenfeld kann in diesem Fall hinsichtlich Langreichweitigkeit optimiert werden, d. h. das Gradientenfeld kann – abhängig von der Breite der Resonanzabsorption – eventuell flacher in dem zu behandelnden Gewebebereich abfallen und dann auch tiefer liegende Tumore erreichen.The invention described above has a number of advantages. In particular, the device allows a depth selection of the maximum energy absorption, so that targeted specific tissue areas, such. B. deeper tumors, can be treated when magnetic nanoparticles are used with an active ingredient that will only give off when the nanoparticles are exposed to a high-frequency magnetic field, or its toxicity increases sharply with increasing temperature. The particles enriched by a strongly increasing gradient field, preferably near the surface of the body, therefore do not release any active substance or develop a toxic effect if no resonance occurs in these areas. Thus, no damage to the tissue, and the particles with active ingredient are excreted from this near-surface area back out of the body. The magnetic gradient field in this case can be optimized in terms of long-range, i. H. Depending on the width of the resonance absorption, the gradient field may possibly decrease more shallowly in the tissue area to be treated and then also reach deeper tumors.

Claims

Medical device for heating human or animal tissue, comprising: - a first magnetic field device ( 1 . 2 ) for generating a first magnetic field (M1) in the tissue to be heated, wherein the first magnetic field (M1) is a temporally constant gradient field; A second magnetic field device ( 5 . 6 ) for generating a second magnetic field in the tissue to be heated, wherein the second magnetic field (M2) varies in time with a frequency; - wherein the first and second magnetic field device ( 1 . 2 ; 5 . 6 ) in such a way that the second magnetic field (M2) in the tissue to be heated has a magnetic field component perpendicular to the first magnetic field (M1), whereby particles ( 9 ), which have a magnetic moment (m) and are introduced during operation of the device in the tissue to be heated, are set in rotational vibrations, wherein the particles ( 9 ) each form a vibratory system with a resonant frequency, which of the amount of the first magnetic field (M1) at the location of the respective particle ( 9 ) and the moment of inertia and the magnetic moment (m) of the respective particle ( 9 ) depends; A user interface ( 8th ), by means of which a region (A) of maximum heating in the tissue to be heated with particles introduced therein can be specified; - wherein the device is designed such that in dependence on the magnetic moment (m) and the moment of inertia of the particles ( 9 ) the frequency of the second magnetic field (M2) and / or the magnitude of the first magnetic field (M1) via the user interface ( 8th ) are adjusted such that the particles ( 9 ) in the specified range (A) substantially resonate at the resonant frequency.

The device of claim 1, wherein the second magnetic field (M2) is substantially perpendicular to the first magnetic field (M1).

Device according to claim 1 or 2, wherein the device is designed in such a way that, when the first magnetic field (M1) is fixed, the frequency of the second magnetic field (M2) is adjusted in order to move the particles ( 9 ) via the user interface ( 8th ) specified range (A) to vibrate at the resonant frequency.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that via the user interface ( 8th ), it is possible to specify which particles ( 9 ) are introduced in the tissue to be heated.

Device according to one of the preceding claims, wherein the first magnetic field device ( 1 . 2 ) can generate a first magnetic field (M1) with spatially varying magnetic field strengths in the range between 0.05 Tesla and 5 Tesla, in particular between 0.1 and 1 Tesla.

Device according to one of the preceding claims, wherein the first magnetic field device ( 1 . 2 ) an electromagnet ( 1 ) with a pole shoe which can be positioned adjacent to the tissue to be heated ( 2 ).

Device according to one of the preceding claims, in which the second magnetic field device ( 5 . 6 ) one or more, via a high-frequency generator ( 6 ), which are positionable adjacent to the tissue to be heated, wherein preferably the amplitude and phase of the magnetic field generated by the one or more high-frequency antennas is adjustable.

Device according to one of the preceding claims, wherein the second magnetic field device ( 5 . 6 ) one or more, via a high-frequency generator ( 6 ) operated high-frequency coils ( 5a . 5b ) which are positionable adjacent to the tissue to be heated.

Device according to Claim 8, in which the one or more high-frequency coils comprise one or more flat coils arranged substantially in one plane ( 5a . 5b ), the flat coils ( 5a . 5b ) in particular one or more pairs of juxtaposed flat coils ( 5a . 5b ), wherein during operation of the flat coils ( 5a . 5b ) preferably the current direction of a flat coil ( 5a . 5b ) of a respective pair opposite to the current direction of the other flat coil ( 5a . 5b ) of the respective pair.

Device according to one of the preceding claims, wherein the second magnetic field device ( 5 . 6 ) a ferrite core ( 5c ), in particular in the form of a ferrite ring.

Device according to one of the preceding claims, wherein the particles ( 8th ), which have a magnetic moment and are introduced into the tissue to be heated during operation of the device, have a maximum spatial extent between 1 nm and 200 nm, in particular between 2 and 100 nm and preferably between 2 and 25 nm.

Device according to one of the preceding claims, wherein the particles ( 8th ), which have a magnetic moment (m) and are introduced in the operation of the device in the tissue to be heated, have substantially the same or a similar moment of inertia and the same or a similar magnetic moment (m).

Device according to one of the preceding claims, wherein the particles ( 9 ), which have a magnetic moment (m) and are introduced into the tissue to be heated during operation of the device, comprise iron and / or cobalt and / or Fe ₂ O ₃ and / or Fe ₃ O ₄ .

Device according to one of the preceding claims, wherein the particles ( 9 ), which have a magnetic moment (m) and are introduced in the operation of the device in the tissue to be heated, carry a medical active substance, in particular as a shell around the respective particle ( 9 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises a water bolus, which in the operation of the device between the tissue to be heated and the second magnetic field device ( 5 . 6 ) can be positioned.