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Fachgebiet
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Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung zur selektiven Erwärmung von Körpern, Körperteilen oder Körperregionen von Patienten im Rahmen einer Hyperthermiebehandlung.
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Mit der gleichen Vorrichtung lässt sich sowohl eine Hyperthermiebehandlung (Erwärmung) wie auch eine Hypothermiebehandlung (Unterkühlung) realisieren.
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Technisches Feld der Erfindung
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Die Normaltemperatur des Körperkerns eines gesunden Menschen liegt bei 36,3 bis 37,4°C. Von einer subfebril erhöhten Temperatur spricht man bei einer Körperkerntemperatur von 37,5 bis 38,0°C; leichtes Fieber (febril) hat man bei 38,1 bis 38,5°C; Fieber im Bereich von 38,6 bis 39,0°C, hohes Fieber im Bereich von 39,1 bis 39,9°C. Bei sehr hohem Fieber (hyperpyretischem Fieber) mit einer Körperkerntemperatur von 40 bis 42°C können Krämpfe auftreten; ab einer Körperkerntemperatur von 42°C kann Kreislaufversagen eintreten. Die obere Grenze des Überlebens liegt bei ca. 44°C Körperkerntemperatur da hier der Tod durch Denaturierung von Proteinen bzw. Enzymen eintritt. Die untere Überlebensgrenze liegt bei ca. 20°C Körperkerntemperatur.
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Gleichwarm ist beim Menschen streng genommen nur die Körperkerntemperatur. Die Temperatur außerhalb des Körperkerns, in der sogenannten Körperschale, kann deutlich niedriger liegen. Die Dicke der Schale und auch ihre Temperatur schwankt mit der Außentemperatur. Die Regulation erfolgt durch unterschiedlich starke Durchblutung und entsprechendem Auskühlen bei verringerter Blutzufuhr. Bei angenehmen Umgebungstemperaturen liegt die mittlere Hauttemperatur um die 32–34°C. [6]
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Bei Säugetieren nimmt die Normaltemperatur des Körperkerns geringfügig andere Werte als beim Menschen an; so hat der gesunde Hund eine Körpertemperatur von 38,0 bis 38,5°C bei großen Rassen und bis zu 39,0°C bei kleinen Rassen, bei Welpen bis 39,5°C. Erwachsene Katzen weisen eine Normaltemperatur von 38,3 bis 39,0°C auf [9].
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Hyperthermie ist eine Überwärmung des Körpers gegen die Tendenz des Wärmeregulationszentrums. Die künstlich erzeugte Temperaturerhöhung (Therapeutische Hyperthermie) wird beispielsweise zur Behandlung von Krebserkrankungen angewendet. Hyperthermie wird besonders im Bereich der alternativen Krebsbehandlung sowie in der komplementären Onkologie eingesetzt. Durch die künstliche Überwärmung des Körpers kann im Einzelfall eine sonst unwirksame Chemo- oder Strahlentherapie unterstützt, bzw. erst zur Wirksamkeit gebracht werden.
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Die Wärmebehandlung leistet einen wichtigen Beitrag bei der Behandlung von bösartigen Tumorerkrankungen. In Versuchen wurde gezeigt, dass Temperaturen von mindestens 42,5 bis 43°C über einen Zeitraum von etwa 40 bis 60 Minuten nötig sind, um Krebszellen abzutöten. Bei niedrigeren Temperaturen sind längere Behandlungszeiten nötig. Hyperthermie wird heute meist zusätzlich zu Bestrahlung und Chemotherapie eingesetzt. In klinischen Studien konnte eine verstärkende Wirkung der Hyperthermie beobachtet werden.
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Die zugrunde liegenden biologischen Zusammenhänge sind vielschichtig, bislang aber nur teilweise aufgeklärt. Man weiß inzwischen, dass Zellen bei lang andauernder und/oder wiederholter Hyperthermiebehandlung in Temperaturbereichen von etwa 41 bis 43°C sogenannte Hitzeschockproteine (HSP) bilden, die Stresseiweiße genannt werden. Im Sinne einer immunologischen Förderung der Krebsbekämpfung sind diese Proteine Signale für die körpereigenen Killerzellen des Immunsystems, ”angeschlagene” Zellen abzubauen.
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Eine Wärmebehandlung kann in Kombination mit Chemo- und/oder Strahlentherapie eingesetzt werden, da sich dabei ein strahlen- und/oder chemosensibilisierender Effekt ergibt [5]. Da die Gefäße innerhalb von Tumoren oft weniger geordnet angelegt sind, als dies in gesundem Gewebe der Fall ist, oder die Entwicklung der Gefäße bei manchen Tumoren nicht mit dem Wachstum des Tumors Schritt halten kann, finden sich in größeren Tumoren nicht selten Bereiche, die schlecht mit Sauerstoff versorgt sind. Diese Krebszellen sind meist wenig anfällig für eine Strahlentherapie, reagieren aber vergleichsweise empfindlich auf Überwärmung. Durch die Verbindung von Hyperthermie und Bestrahlung soll erreicht werden, dass die Zellen, die nicht durch die Strahlentherapie geschädigt werden, durch die Hitze angegriffen werden und sich der Effekt beider Therapien addiert.
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Ein Erklärungsmodell baut darauf auf, dass die Hyperthermie die Durchblutung und damit die Sauerstoffversorgung verbessert. Da bei der Bestrahlung hochreaktive Sauerstoffverbindungen entstehen, könnte dies den verbesserten Effekt erklären. Hinzu kommt: Bereits bei Temperaturen zwischen 40 und 42°C beginnen die zelleigenen Reparaturmechanismen zu versagen. Die Zellen sind also nicht mehr oder nur in geringerem Maß in der Lage, die Schäden durch die Bestrahlung zu kompensieren.
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Eine Erwärmung über 42°C führt u. a. über Konformationsänderungen von Makromolekülen zur Destabilisierung und schließlich zum Zusammenbruch molekularer Strukturen, wie z. B. Mikrotubuli. Diese bilden die mitotischen Spindelfasern und wichtige Komponenten des Zellskelettes. Daher sind Zellen in der Mitose wie auch in der S-Phase besonders wärmeempfindlich. Gerade diese Zellen sind im Allgemeinen relativ unempfindlich gegenüber Bestrahlung. Daher soll die zytotoxische Wärmewirkung eine gute Ergänzung zur Strahlentherapie darstellen.
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Eine Wärmebehandlung in Kombination mit einer Chemotherapie [3] bietet den Vorteil, dass sich durch die erhöhten Temperaturen die Blutgefäße weiten. Dies führt zu einer stärkeren Durchblutung des Tumorgewebes und zu einer besseren Anschwemmung von Zytostatika in den Tumor. Dadurch gelangen auch in ursprünglich schlecht durchblutete Tumorbezirke höhere Zytostatika-Mengen, zum Beispiel ins Innere sehr großer Tumoren. So kann die Wirkung von Chemotherapie-Medikamenten auf Zellen, die unter normalen Temperaturen nur schlecht auf die Behandlung ansprechen, verbessert werden. Zudem nehmen die Zellen bei Hitze durch ihren beschleunigten Stoffwechsel mehr Zytostatika auf. Hinzu kommt eine Schädigung der zelleigenen Reparaturmechanismen durch Hitze.
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Bei der mit einer Chemo- oder Strahlentherapie kombinierten Wärmebehandlung wird die betreffende Hautregion des Patienten gegen die Regelmechanismen des Wärmeregulationszentrums überwärmt [5]. Dies geschieht vorzugsweise mittels (wassergefilterter) Infrarotstrahler oder durch Bestrahlung mit Ultraschall, Radio- oder Mikrowellen, was verschiedene Nachteile hat. Dabei erreicht die Körpertemperatur Werte zwischen 39,5°C und 40,5°C [1]. Erhitzungen von Normalgewebe müssen verhindert werden.
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In einer in [4] geschilderten Behandlung wird das Tumorgewebe durch lokale Hyperthermie auf 42°C bis maximal 48°C erwärmt. Diese Temperatur wird für etwa 60 bis 90 Minuten im Tumorgewebe aufrecht erhalten. Die unzureichende Wärmeregulierung im Tumorgewebe führt dort zu einem Hitzestau. Angrenzendes gesundes Gewebe wird bei der Erwärmung bis auf 48°C auch beeinflusst, kann aber die Hitze durch eine Steigerung der Durchblutung leicht abführen. Diese Eigenschaft besitzt das Tumorgewebe aufgrund seiner primitiveren Blutversorgung nicht.
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Die lokale Hyperthermie kann bei oberflächlichen, dicht unter der Haut liegenden Tumoren oder oberflächlichen Metastasen zum Einsatz kommen. Bei der regionalen (Tiefen-)Hyperthermie werden größere Körperregionen erwärmt. So sollen auch tiefer liegende Tumoren und Metastasen erreicht werden: Bei Tumoren des Enddarms (Rektumkarzinom) liegen beispielsweise der Beckenbereich und der Unterbauch im Hyperthermie-Feld, bei Krebs der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) der Oberbauch, und bei Weichteilsarkomen an den Extremitäten das gesamte betroffene Bein oder der betroffene Arm.
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Unerwünschte Temperaturerhöhungen im gesunden Gewebe stellen bis heute eines der wichtigsten Nebenwirkungen und Risiken dar, auch wenn Patienten je nach Anwendung meist nur mit Rötungen oder Schwellungen der Haut in der behandelten Region des Körpers rechnen müssen. Echte Verbrennungen sind bei guter Kontrolle selten, wenn auch nicht ausgeschlossen. Möglich sind außerdem vorübergehende und manchmal auch länger anhaltende Schmerzen in der überwärmten Region. Belastend ist die Hyperthermie außerdem für Herz und Kreislauf. Vor allem die Ganzkörperhyperthermie ist deshalb für Patienten mit Vorerkrankungen oft ausgeschlossen.
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Daher fordern Experten, dass Patienten während der Behandlung gut überwacht werden, um die Temperatur im Zielgewebe zu kontrollieren, um bei Bedarf betroffene Gewebe rasch zu kühlen oder bei Schmerzen schnelle Linderung durch geeignete Medikamente zu gewährleisten. Manchmal ist es auch notwendig, die Therapie bei zu starken Nebenwirkungen ganz abzubrechen. Die Ganzkörperhyperthermie erfordert unter Umständen sogar eine intensivmedizinische Überwachung.
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Bei der Erzeugung von Hyperthermie durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen stellen Metallimplantate im Körper eine besondere Gefahr dar. So kann es in der Umgebung von Hüft- oder Kniegelenksersatz zu Verbrennungen kommen. Metalle heizen sich durch den Einfluss energiereicher elektromagnetischer Wellen in besonderem Maße auf. Für Träger von Herzschrittmachern oder sogenannten Defibrillatoren kann eine Hyperthermie-Behandlung ebenfalls riskant sein: Die oft zur Überwärmung genutzten elektromagnetischen Wellen stören unter Umständen die Funktion der Geräte, und das Material erhitzt sich genauso wie bei Implantaten wesentlich schneller und stärker als Gewebe.
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Neben der erwünschten Erwärmung des Tumors können bei einer Hyperthermiebehandlung auch unerwünschte Temperaturerhöhungen im gesunden Gewebe auftreten. Überhitzungsprobleme betreffen vor allem die Haut (Verbrennungen), das subkutane Fettgewebe (Fettgewebsnekrosen), aber bei Behandlungen im Gesichtsbereich z. B. auch das Auge. Kritische Temperaturerhöhungen können in bestimmten Bereichen auch ohne die entsprechende Wahrnehmung des Patienten auftreten.
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Von Bedeutung für den jeweiligen Tumor sind ungleichmäßige Erwärmung, z. B. bei Störungen der Durchblutung im Bereich der kleinen Gefäße, aber auch eine unterschiedliche Thermosensibilität innerhalb einer Tumorzellpopulation, da sich die Zellen in verschiedenen Stadien der Mitose befinden. Ungeklärt ist, ob Metastasen (z. B. während einer Ganzkörperhyperthermie) in gleicher Weise wie der Primärtumor durch Hyperthermie beeinflusst werden können oder ob Hyperthermie eventuell sogar die Aussaat von Metastasen provozieren kann.
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Im Tierexperiment führen intensiv überwärmende Maßnahmen intensitätsabhängig vorübergehend zu einer Schädigung lymphatischer Organe (signifikante Verkleinerung und Abnahme des DNA-Gehaltes) und hemmen die Bildung humoraler Antikörper, zellvermittelte Immunreaktionen und Stimulierbarkeit der Lymphozyten durch Mitogene.
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Entscheidend für die Wirkung der Hyperthermie auf den Tumor ist, dass die erforderliche Temperatur über den gesamten Zeitraum gleichmäßig im Tumor erreicht und aufrechterhalten wird.
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Es gibt ein Fazit zur Hyperthermie, welches Experten im Auftrag des Gemeinsamen Bundesausschusses im Jahr 2005 zogen [1]
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Stand der Technik invasiver Vorrichtungen
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Aus dem Stand der Technik ist eine sehr große Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Hyperthermie-Behandlung bekannt. Stellvertretend dafür wird in der
DE 19531935 A1 eine Vorrichtung zur Erwärmung von körpereigenem Blut vorgeschlagen, die (ähnlich wie bei einer künstlichen Niere) aus Wärmetauscher, aus Temperaturmeßsonden vor und nach dem Heizer und einem Steuergerät zur Kaskadenreglung der Bluttemperatur mit der Temperatur am Kathetereinlass als Führungsgröße besteht. Das Gerät wird zur Behandlung von Krebserkrankungen und Infektionskrankheiten, wie HIV/AIDS oder Hepatitis B und C, eingesetzt.
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Eine ähnliche Vorrichtung, die sowohl zur Hyperthermie- wie auch zur Hypothermie-Behandlung eingesetzt werden kann, ist in der Gebrauchsmusterschrift
DE 29507193 U1 beschrieben. Für eine therapeutische Ganzkörper-Hypothermie im Bereich der onkologischen Therapie wird ein Blutstrom aus dem Blutkreislauf des Patienten (invasiv!) abgeführt, extrakorporal also außerhalb des Körpers über Wärmetauscher in einem Wasserbad mit einer Wassertemperatur von bis zu 50°C erwärmt und anschließend wieder in den Körper zurückgeführt. Zur Erzielung der therapeutischen Wirkungen wird das Blut dabei von seiner Normaltemperatur von ca. 37°C auf ca. 44–45°C erwärmt. Mit der gleichen Vorrichtung ist auch eine Hypothermie-Behandlung möglich.
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Stand der Technik nicht-invasiver Vorrichtungen
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Bei den nicht-invasiven Verfahren zur selektiven therapeutischen Hyperthermie wird die Überwärmung auf 40 bis 44°C meist von außen mit Hilfe von Mikrowellen, Radiowellen oder Ultraschall gezielt im Tumorgebiet erzeugt.
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Bei der regionalen Tiefenhyperthermie wird üblicherweise mit ringförmigen Applikatoren gearbeitet. Die am Rand des Applikators angeordneten Antennen, die von einem Verstärker gespeist werden und elektromagnetische Wellen abstrahlen, umgeben den Patienten ringförmig. Die Ankopplung der Energie erfolgt über einen sog. Wasserbolus, eine Wasservorlaufstrecke. Diese Technik führt in der Tiefe des Körpers zu einer starken Energiedeposition. Die erzielten Temperaturen betragen 40–43°C. Bekannt sind Ringapplikatoren und augenförmige Applikatoren der Serie SIGMA der Firma BSD, Salt Lake City, USA [8]
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Stand der Technik von Vorrichtungen, die ein Peltier-Element nutzen
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In der
JP 2011152243 A wird eine Vorrichtung beschrieben, die aus einer IR-Leuchtdiode zur lokalen und in die Tiefe gehenden Erwärmung besteht und ein Peltier-Element zur Kühlung benutzt um die umliegenden Körperteile vor Überhitzung zu schützen.
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Nachteile des Standes der Technik nicht-invasiver Vorrichtungen
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Die nicht invasive therapeutische Hyperthermiebehandlung geschieht heute vorzugsweise über eine Erwärmung der Hautoberfläche mit Wärmeakkus oder durch Bestrahlung mit akustischer (Ultraschall) oder elektromagnetischer Strahlung (Radiowellen). Eine Wärmezufuhr über den direkten Kontakt mit einer Wärmequelle wird wegen der Gefahr von Verbrennungen bzw. Verbrühungen meist nicht gewählt.
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Die hier beschriebene Vorrichtung eignet sich zur loko-regionalen Oberflächen- oder Teilkörperhyperthermie und Prostatahyperthermie. Dabei wird der Körper örtlich begrenzt überwärmt, die Körper(teil)temperatur erreicht Werte zwischen 39,5°C und 40,5°C. Bei der loko-regionalen Tiefenhyperthermie wird nur das betroffene Gewebe oder Organ bis maximal 44°C überwärmt.
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Zu Grunde liegende Aufgabe
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Vorrichtung, die eine Erwärmung eines Körperteils oder einer Körperregion über die Hautoberfläche für einen längeren Zeitraum ohne Verwendung von elektromagnetischer Strahlung oder Ultraschall ermöglicht.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die therapeutische Erwärmung eines Körperteils oder einer Körperregion über die Hautoberfläche für einen längeren Zeitraum. Die Vorrichtung soll die Aufgabe weitgehend automatisch, d. h. ohne den regelmäßigen Austausch von Latentwärmespeichern, insbesondere herkömmlichen Wärmeakkus wahrnehmen.
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Als Zieltemperatur für eine lokale Hyperthermie sollen 37°C bis 43°C auf der Hautoberfläche angenommen werden, was bei einer normalen Körpertemperatur von 37°C eine realistische Temperatur darstellt bei der weder Schmerzen auftreten, noch der gewünschte Erwärmungseffekt ausbleibt. Die Vorrichtung soll es erlauben, die Temperatur auf der Hautoberfläche regulieren zu können. Eine Schutzvorrichtung soll dafür sorgen, dass eine Maximaltemperatur von 44°C auf der Hautoberfläche nicht überschritten wird. Weiterhin soll die Möglichkeit bestehen, die Wärmeleistung den Gegebenheiten anzupassen. Üblicherweise lässt sich der Wärmestrom, also die pro Zeiteinheit transportierte Wärmemenge über die Temperatur des Wärmeeträgers und die pro Zeiteinheit transportierte Menge an Wärmeträger ermitteln und über die Pumpendrehzahl regeln. Im Fall der Verwendung eines Peltier-Elements als Wärmetransporteinrichtung lässt sich der Wärmestrom praktisch direkt über die am Peltier-Element anliegende Spannung und den dabei fließenden elektrischen Strom steuern.
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Selbstverständlich muss der Patientensicherheit Rechnung getragen werden. Dies schließt die Verwendung von giftigen Wärmeträgerflüssigkeiten aus und lässt auch keine elektrischen Ströme am Patienten zu. Das Risiko, dass bei falscher Handhabung oder bei Unfällen Giftstoffe oder elektrische Ströme in Kontakt mit dem Patienten kommen, muss ausgeschlossen sein. Als Wärmetransportmittel soll daher bevorzugt Wasser eingesetzt werden. Peltier-Elemente sollen nicht direkt am Patienten eingesetzt werden.
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Die Vorrichtung ist geräuschfrei, mindestens aber in unmittelbarer Nähe des Patienten so unbemerkbar und leise, dass der Patient nicht gestört wird und ein Einschlafen des Patienten möglich ist.
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Die Wärme soll auf passive Weise durch Konvektion aus der Umgebungsluft entnommen werden; Lüfter oder ähnliche Geräusche erzeugende Vorrichtungen zur Verstärkung der Konvektion sollen nicht in unmittelbarer Nähe zum Patienten zum Einsatz kommen.
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Die wichtigsten Betriebsparameter der Vorrichtung sollen per Fernabfrage ermittelt werden können. Hierzu zählen die Ist-Temperatur gemessen an der Körperoberfläche, die Soll-Temperatur, die Erwärmungsrate, die Abkühlungsrate (nach erfolgter Behandlungsdauer) und die pro Minute zu oder abgeführte Wärmemenge.
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Die Vorrichtung soll zu Beginn der Behandlung die langsame kontrollierte Erwärmung mit einstellbarer Erwärmungsrate ermöglichen. Eine einstellbare Erwärmungsrate (einstellbar ab 0,25°C pro Stunde und schneller) soll nicht überschritten werden.
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Die Vorrichtung soll nach erfolgter Behandlung die langsame kontrollierte Abkühlung auf die normale Körpertemperatur mit einstellbarer Abkühlungsrate ermöglichen. Die einstellbare Abkühlungsrate (einstellbar ab 0,25°C pro Stunde oder schneller) soll nicht überschritten werden.
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Lösung der Aufgabe der Erfindung
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In ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung schematisch angegeben, welche zur Erwärmung von Körpern, Körperteilen oder Körperregionen über die Oberfläche eines menschlichen Körpers, Körperteils oder einer Körperregion für einen längeren Zeitraum vorgeschlagen wird.
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Die Vorrichtung in besteht aus mindestens zwei getrennten Kreisläufen für das fluide Wärmetransportmittel, dem Primär- und dem Sekundärkreislauf. Der Primärkreislauf transportiert Wärme vorzugsweise zu einem Peltier-Element 1 hin, der Sekundärkreislauf transportiert Wärme vom Peltier-Element weg. Primär- und Sekundärkreislauf sind über die an dem Peltier-Element 1 als Wärmepumpe angebrachten Wärmetauscher 10 (primärseitig) und 20 (sekundärseitig) bezüglich des Wärmeflusses verbunden. Der Primärkreislauf entnimmt durch Strahlung und Konvektion über die Oberfläche des Wärmetauschers 11 Wärme aus der Umgebung und transportiert diese zum Peltier-Element, indem das fluide Wärmetransportmittel (die Kühlflüssigkeit) mittels einer von einem Antriebsmotor 13, der vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet ist, angetriebenen Pumpe 12 von Wärmetauscher 11 zu Wärmetauscher 10 gepumpt wird. Das Peltier-Element 1, welches auch als Stapel von Peltier-Elementen ausgebildet sein kann, wirkt als Wärmepumpe und hebt dabei das sekundärseitige Temperaturniveau an. Sekundärseitig wird die Wärme über den Wärmetauscher 20 aus der Sekundärseite des Peltier-Elements entnommen und über den Sekundärkreislauf an den Wärmetauscher 21 weitergegeben, der seinerseits über den sekundärseitigen Wärmetransportmittelkreislauf die Wärme an den zu behandelnden Körper, das Körperteil oder die Körperregion 99 abgeben kann.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Wirkung des primärseitigen Wärmetauschers 11 durch einen passiven Kühlkörper 40 zur Erhöhung der Oberfläche verstärkt ( ). Mit dieser Anordnung ist auch die Aufnahme von Wärme aus einer flüssigen oder festen Wärmequelle (oder aus der Umgebung) vorstellbar.
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In einer weiteren besonders effizienten Ausführungsform der Erfindung wird die Wirkung des primärseitigen Wärmetauschers 11 durch einen passiven Kühlkörper 40 zur Erhöhung der Oberfläche und einen Lüfter 41 verstärkt ( ); hiermit lassen sich besonders große Wärmemengen aus einer gasförmigen Umgebung (insbesondere aus der Umgebungsluft) entnehmen.
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Wärmetauscher 11, Pumpe 12 und dazu gehörender Antriebsmotor 13, Kühlkörper 40 und Lüfter 41 können weiter entfernt vom Patienten betrieben werden, indem über die selbst-abdichtenden Schnellkupplungs-Steckverbindungen 15 eine Schlauchverlängerung jeweils für den Zu- und den Ablauf von Wärmetauscher 10 vorgesehen wird. Der Patient ist dann nicht den Geräuschen der Pumpe 12, dem dazu gehörenden Antriebsmotor 13 und Lüfter 41 ausgesetzt, da diese weiter entfernt aufgestellt werden können.
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In den beiden voneinander getrennten Kühlmittelkreisläufen, dem Primär- und dem Sekundärkreislauf, können unterschiedliche fluide Wärmetransportmittel verwendet werden. Als Kühlflüssigkeit kommt wegen seiner Ungiftigkeit für den menschlichen Organismus sekundärseitig vorzugsweise Wasser in Betracht; es sind aber auch andere fluide Wärmetransport-medien einsetzbar.
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Für eine reine Erwärmung von Körpern, Körperteilen oder Körperregionen wird die Wärmetransportrichtung 50 durch den durch das Peltier-Element fließenden Strom so vorgegeben, dass Wärme dem Körper, der Körperregion oder dem Körperteil 99 zugeführt wird. Die Menge der zugeführten Wärmemenge lässt sich einerseits über die Pumpendrehzahl regeln, da der Zusammenhang zwischen Pumpendrehzahl und Transportvolumen bekannt ist. Andererseits lässt sich über die Höhe des Stromes im Peltier-Element ebenfalls die übertragene Wärmemenge steuern.
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Der steuernde Microcontroller 30 enthält die dazu notwendigen Kennlinienfelder und kann damit und mittels des unmittelbar an der Zuführleitung zum Wärmetauscher 21 angebrachten Temperatursensors die einem Körper, Körperteil oder einer Körperregion zugeführte Wärmemenge direkt bestimmen.
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Die vom Peltier-Element vorgegebene Wärmetransportrichtung bestimmt den Einsatz der Anordnung zur Hyperthermiezwecken oder zu Hypothermiezwecken. Prinzipiell lässt sich beides mit derselben Anordnung erreichen. Durch ein einfaches Umpolen der Richtung des Betriebsstromes können Kalt- und Warmseite am Ende einer Wärmebehandlung zur Abkühlung auf die normale Körpertemperatur bzw. am Ende einer Kältebehandlung zur Wiedererwärmung auf die normale Körpertemperatur vertauscht werden.
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Durch die über den Volumenstrom und die Temperatur vom Microcontroller 30 bestimmbare Wärmemenge pro Zeit lässt sich sowohl zu Beginn der Hyperthermie-Behandlung eine Erwärmung mit einem vorgegebenen Temperaturgradienten als auch am Ende einer Behandlung eine Wiederabkühlung der Körperoberfläche bzw. des Körpers, Körperteils oder der Körperregion mit einem vorgegebenen Temperaturgradienten realisieren, da dem Microcontroller 30 die Regelaufgabe übertragen werden kann.
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Der Microcontroller übernimmt ebenfalls die Aufgabe die für den jeweiligen Behandlungsfall maximal zulässigen Abkühlungs- und Erwärmungsraten zu begrenzen.
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Innerhalb der physiologisch zulässigen Temperaturen erfolgt die Regelung der Arbeitsweise der Vorrichtung temperaturgeführt, Wärmemengen-geführt oder Abkühlungs- bzw. Erwärmungsraten-geführt.
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Eine genaue Regelung erfordert kurze Ansprechzeiten und praktisch keine Totzeiten, was durch eine geringe Menge an Kühlmittel in dem Patienten-nahen, primären Kühlmittelkreislauf und/oder dessen schnelles Umpumpen realisierbar ist. Das Peltier-Element spielt hier seinen Vorteil aus, völlig geräuschlos und in jeder Lage zu arbeiten, und dies in einer sehr kleinen Bauteilgröße bereitzustellen.
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Die hohe elektrische Leistung, die zum Betrieb des Peltier-Elements aufgebracht werden muss um eine warme Fläche zu erzeugen, stellt keinen Nachteil dar, da diese über den Sekundärkreislauf ebenfalls dem zu erwärmenden Körperteilen oder den zu erwärmenden Körperregionen zugute kommt. Die Berechnung der damit zusätzlich eingebrachten Wärmemenge ist über den bekannten Wirkungsgrad des jeweils eingesetzten Peltier-Elements bestimmbar. Der Primärkreislauf kann daher gegenüber dem sekundären Kreislauf etwas unterdimensioniert werden.
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Gemeinsamer Betrieb mehrerer Vorrichtungen:
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Für den stationären Einsatz zum Beispiel im Krankenhaus lassen sich zwei oder mehr Vorrichtungen der beschriebenen Art gemeinsam an einem dafür vorgesehenen Wasserleitungsnetz 26 wie in für beispielsweise drei gleichzeitig betriebene Vorrichtungen gezeigt betreiben. Das Wasserleitungsnetz sieht einen einzigen Wärmetauscher 11 und eine einzige gemeinsame Kühlmittelpumpe 12 inkl. Antriebsmotor 13, einen Kühlkörper 40 und einen Lüfter 41 vor, die von allen angeschlossenen Vorrichtungen gemeinsam benutzt werden und möglichst Patienten-fern angeordnet sind. Die einmal vorhandenen Komponenten sind entsprechend der Maximalzahl an gleichzeitig betreibbaren Vorrichtungen entsprechend dimensioniert. Dabei erlauben es herkömmliche, aus einem breiten Stand der Technik bekannte, selbst-abdichtende Schnellkupplungs-Steckverbindungen 15 die Anzahl von Vorrichtungen der beschriebenen Art während des laufenden Betriebes zu variieren.
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Mehrere der einzelnen Vorrichtungen der beschriebenen Art lassen sich, ganz ähnlich wie in gezeigt, auch an einem einzigen Patienten zur Durchführung einer Ganzkörper-Hyperthermie-Behandlung betreiben, wobei die Steuerteile 30 über eine Datenverbindung 31 so koppelbar sind, dass die Betriebsparameter für alle an einem Patienten angeschlossenen Vorrichtungen der beschriebenen Art nur an einem einzigen Steuerteil 32 (dem Master) einmal für alle restlichen Vorrichtungen (die Slaves) eingestellt werden müssen (Master-Slave Ganzkörper Betriebsart).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Peltier Element oder Stapel von Peltier-Elementen
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- Wärmetauscher am Peltier-Element (Primärkreislauf)
- 11
- Wärmetauscher zur Umgebungsluft (Primärkreislauf)
- 12
- Pumpe im Primärkreislauf
- 13
- Elektromotor zum Antrieb der Pumpe im Primärkreislauf
- 15
- Schnellkupplungs-Steckverbindung
- 20
- Wärmetauscher am Peltier-Element (Sekundärkreislauf)
- 21
- Wärmetauscher am Körper, Körperteil oder Körperregion (Sekundärkreislauf)
- 22
- Pumpe im Sekundärkreislauf
- 23
- Elektromotor zum Antrieb der Pumpe im Sekundärkreislauf
- 24
- Temperatursensor im Sekundärkreislauf
- 30
- Micro-Controller für Steuer- und Regelzwecke
- 31
- Verbindung aller Micro-Controller
- 32
- Micro-Controller (Master für Ganzkörper-Behandlung)
- 40
- Kühlkörper zur Verbesserung des Wirkungsgrades von 11
- 41
- Lüfter zur Verbesserung des Wirkungsgrades von 40
- 50
- Wärme-Transportrichtung im Peltier-Element
- 99
- Körper, Körperteil oder Körperregion
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Zitierte Nicht-Patentliteratur:
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- [1] Entscheidung des Gemeinsamen Bundesausschusses zur Kostenübernahme einer Hyperthermie-Behandlung aus dem Jahre 2005 durch die gesetzliche Krankenversicherung und die Begründungen, BUB-Richtlinie/Anlage B (Hyperthermie) vom 18.01.2005 (Beschlussdatum), in Kraft getreten 15.05.2005, veröffentlicht im BAnz. Nr. 90 (S. 7485) vom 14.05.2005
- [2] Wust P, Molls M., Hyperthermie in Kombination mit Radiotherapie und/oder Chemotherapie. In: Schmoll HJ, Höffken K., Possinger K. Kompendium Internistische Onkologie. Berlin: Springer. 1999, S. 536–540.
- [3] Issels RD. Chemotherapie in Kombination mit Hyperthermie. In: Schmoll HJ, Höffken K, Possinger K (Eds). Kompendium Internistische Onkologie. Berlin: Springer. 1999, S. 2488–2506
- [4] Webseite der Praxisklinik im Rot-Kreuz-Zentrum Nürnberg, Dr. med. Edgar Remmel zur Lokalen Hyperthermie http://www.immuntherapie.com/117.html
- [5] Issels, R. D., S. W. Prenninger, A. Nagele; E. Boehm, H. Sauer, K-W. Jauch, H. Denecke, H. Berger, K. Peter, W. Wilmanns: Ifosfamide plus etoposide combined with regional hyperthermia in patients with locally advanced sarcomas: a phase 11 study. J. Clin. Oncol. 8 (1990) 1818–1829
- [6] Michael Gekle, Dominique Singer: Wärmehaushalt und Temperaturregulation. In: Hans-Christian Pape, Armin Kurtz, Stefan Silbernagl (Hrsg.): Physiologie. 7. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2014, ISBN 978-3137960072, 13. Kapitel, S. 566–584.
- [7] Stelzenmüller, Wolfgang; Wiesner, Jan: Therapie von Kiefergelenkschmerzen – Ein Behandlungskonzept für Zahnärzte, Kieferorthopäden und Physiotherapeuten. 2. Aufl. Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 2010. – ISBN 978-3-131-54502-2
- [8] Daryoush Fatehi, Technical Quality of Deep Hyperthermia using the BSD-2000
- [9] Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Körpertemperatur
- [10] Kamolz, L. P.; Herndon, D. N.; Jeschke, M. G.: Verbrennungen: Diagnose, Therapie und Rehabilitation des thermischen Traumas. Springer Vienna, 2010 https://books:google:de/books?id=BgkjBAAAQBAJ. – ISBN 9783211798966
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19531935 A1 [0024]
- DE 29507193 U1 [0025]
- JP 2011152243 A [0028]
