DE19816917A1 - Verfahren zur räumlich aufgelösten Temperaturüberwachung, Suspension von ferromagnetischen Mikropartikeln und Verwendung dieser Suspension - Google Patents

Abstract

Zur Temperaturüberwachung wird einem Körper (1) eine ferromagnetische Substanz (2) zugeführt, deren Curie-Temperatur einem gewünschten Temperaturgrenzwert entspricht. Mittels einer MR-Messung wird eine räumlich aufgelöste Darstellung des Körpers (1) gewonnen, wobei Artefakte, die im ferromagnetischen Zustand der Substanz verursacht werden, als Kriterium dafür herangezogen werden, daß der Temperaturgrenzwert noch nicht erreicht ist.

Description

In der Medizin gibt es die Anforderung, ortsaufgelöst die Temperatur in einem lebenden Organismus möglichst genau zu erfassen. Dies gilt z. B. für Anwendungen der Hyperthermie. Behandlungen mit Hyperthermie werden beispielsweise mit LITT (Laser Induced Thermotherapy) oder mit regionaler Tiefenhy­ perthermie durchgeführt, wobei bei letzterem Verfahren tief im Körper liegende Tumore mit Hochfrequenzstrahlung behandelt werden.

Insbesondere bei der Hyperthermie muß die Temperaturmessung hochgenau sein. Zum einen muß sichergestellt werden, daß das Tumorgewebe genügend stark erhitzt wird, damit die Behandlung wirksam ist. Zum anderen müssen Verbrennungen des Patienten ausgeschlossen werden. Die Temperatur in dem behandelten Be­ reich muß daher in engen Grenzen gehalten werden und liegt z. B. für die Hyperthermie um 42,5°C. Diese Temperatur ist bei allen Experimenten gleich, so daß eine Temperaturerfassung nur in diesem Bereich exakt sein muß.

Mit gängigen Verfahren kann die Temperatur im Körper nur an einzelnen Punkten oder längs eines Hohlkatheters bestimmt werden. Dies ist jedoch unbefriedigend, da eine Einhaltung der gewünschten Temperatur über den gesamten Behandlungsbe­ reich damit nicht sichergestellt werden kann.

Es sind Anwendungen der MR-Bildgebung bekannt, um ortsaufge­ löst die Temperatur im Inneren eines Körpers zu ermitteln. Soweit diese Verfahren auf der Protonen-Kernspinresonanz be­ ruhen, wurden folgende Parameter als relevant für die Gewebe­ temperatur herangezogen: Chemische Verschiebung des Wasser- Peaks, die T1-Relaxationszeit der Protonen, die Gesamt-Magne­ tisierung des Wassers und der Diffusionskoeffizient von Was­ serprotonen im Gewebe. Damit ist eine nichtinvasive und orts­ aufgelöste Überwachung der Körpertemperatur auch an oberflä­ chenfernen Stellen möglich. Größere Bereiche des Körpers kön­ nen gleichzeitig überwacht werden. Allerdings sind derartige Verfahren für den obengenannten Einsatzzweck nicht genau ge­ nug und vielfach auch zu empfindlich gegen äußere Störungen.

Von K. J. Franklin et al. wurde in dem Artikel "Encapsulated liquid crystals as probes for remote thermometry", Interna­ tional Journal Hyperthermia, Vol. 8 (2), pp. 253-262 (1992) und von A. G. Webb et al. in dem Artikel "Sonochemically pro­ duced fluorocarbon microspheres: A new class of magnetic re­ sonance imaging agent", Journal of Magnetic Resonance, 6, pp. 675-683 (1996), vorgeschlagen, den Phasenübergang von Kri­ stallen zur Temperaturermittlung mittels magnetischer Reso­ nanz heranzuziehen. Es wurde festgestellt, daß bestimmte Sub­ stanzen in der festen Phase eine deutlich geringere Intensi­ tät des MR-Signals aufweisen als in der Flüssigphase. In der letztgenannten Literaturstelle wurde eine Fluorcarbon-Hydro­ carbon-Mischung vorgeschlagen, die bei einer vorgegebenen Temperatur vom festen Zustand in den flüssigen Zustand über­ geht. Wenn man diese Mischung in einen Körper einbringt, kann durch Unterschiede in der Signalintensität des zugeordneten MR-Signals festgestellt werden, ob die vorgegebene Temperatur über- oder unterschritten ist. In der erstgenannten Litera­ turstelle wurden für einen ähnlichen Effekt Flüssigkristalle vorgeschlagen. Um zu verhindern, daß die angewandten Substan­ zen vom Körper aufgenommen werden und dort toxisch wirken, ist vorgesehen, diese in eine nichttoxische Hülle einzu­ schließen, die im Körper nicht aufgelöst wird.

Den obengenannten Verfahren zur Temperaturüberwachung mittels MR aufgrund von Änderungen der Signalintensität beim Phasen­ übergang ist gemeinsam, daß eine Kernresonanzmessung bezüg­ lich dieser Substanz, z. B. Fluor, durchgeführt werden muß. Während dies bei MR-Spektrometern kein Problem darstellt, sind bildgebende MR-Geräte praktisch nur für die Protonenre­ sonanz verfügbar. Außerdem liegt z. B. Fluor im Körper nur mit sehr geringer Konzentration vor, so daß das Körpergewebe al­ lenfalls mit einem äußerst niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis abgebildet werden kann. Zur Lokalisierung der Temperaturüber­ wachung im Gewebe ist eine Abbildung des Körpergewebes jedoch unumgänglich. Wenn überhaupt, könnten die vorgeschlagenen Verfahren nur mit speziell dafür gebauten Geräten durchge­ führt werden, so daß diese zumindest derzeit nur von akademi­ schem Interesse sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine genaue und zuverlässige lokalisierte Temperatur­ überwachung möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Wenn man die MR-Messung auf Protonen bezieht, können herkömm­ liche MR-Bildgebungsgeräte, die durchwegs mittels der Kern­ spinresonanz von Protonen arbeiten, eingesetzt werden. Der ferromagnetische Stoff kann z. B. in Form von implantierbaren Strukturen oder in Form einer injizierbaren Suspension aus eingehüllten ferromagnetischen Mikropartikeln angewandt wer­ den.

Des weiteren besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Kontrastmittel anzugeben, das für die Temperaturüberwachung mittels des Effekts der magnetischen Resonanz geeignet ist sowie in der Verwendung einer solchen Substanz. Diese Aufga­ ben werden mit einer Suspension nach Anspruch 9 bzw. einer Verwendung nach Anspruch 12 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 die Plazierung von ferromagnetischen Nadeln im Untersuchungsobjekt,

Fig. 2 das erhaltene MR-Bild,

Fig. 3 und 4 den Suszeptibilitätsverlauf von zwei Palla­ dium-Nickel-Legierungen.

Bei der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, daß ferroma­ gnetische Stoffe in MR-Bildern starke Störungen, sogenannte Artefakte, verursachen. Art und Ausmaß der Störungen hängen sehr stark von der verwendeten Bildgebungssequenz ab. Bei­ spielsweise sind Spinechosequenzen typischerweise wesentlich unempfindlicher gegen Magnetfeldstörungen als Gradientenecho­ sequenzen, beispielsweise die sogenannte FLASH-Sequenz, wie sie in der US-Patentschrift 4,707,658 beschrieben ist.

Wenn man einen ferromagnetischen Stoff in das Untersuchungs­ gebiet einbringt, so wird bei bestimmten Sequenzen das Kern­ resonanzsignal aus der Umgebung dieses Stoffes durch Depha­ sierung völlig ausgelöscht, d. h. im MR-Bild dunkel abgebil­ det. Paramagnetische Stoffe hingegen beeinflussen das Kernre­ sonanzsignal in der Umgebung kaum, d. h., sie erzeugen fast keine Artefakte.

Für die Erfindung ist ein weiterer physikalischer Effekt maß­ geblich, nämlich die Tatsache, daß ferromagnetische Stoffe ihre ferromagnetische Eigenschaft nur bis zu einer bestimmten Temperatur, nämlich der Curie-Temperatur behalten. Über die­ ser Temperatur sind die Stoffe dann paramagnetisch. Es sind Stoffe bekannt, die bereits bei Temperaturen im Bereich der Körpertemperatur vom ferromagnetischen Zustand in den parama­ gnetischen Zustand übergehen. Die Curie-Temperatur dieser Stoffe kann sehr genau eingestellt werden, ferner werden sol­ che Stoffe bereits in der Medizin eingesetzt, d. h., die An­ wendung am Menschen ist unbedenklich.

Die beiden obengenannten physikalischen Effekte werden nun zur Temperaturüberwachung wie folgt verwendet: Wenn man eine kleine Menge einer ferromagnetischen Substanz mit bekannter Curie-Temperatur in den zu untersuchenden Körper einbringt, so führen unterhalb der Curie-Temperatur die starken Feldver­ zerrungen zu deutlich sichtbaren Signalauslöschungen in der Umgebung der Substanz. Steigt die Temperatur im Bereich die­ ser Substanz über die Curie-Temperatur, so findet keine Aus­ löschung mehr statt, so daß man Gebiete mit einer über der Curie-Temperatur liegenden Temperatur leicht identifizieren kann.

Wesentlich ist hierbei, daß im Gegensatz zu bekannten Verfah­ ren der Temperaturüberwachung mit in den Körper eingebrachten Substanzen nicht Kernresonanzsignale aus diesen Substanzen selbst erfaßt werden, sondern die Kernresonanzsignale aus dem umliegenden Gewebe. Dabei kann ein herkömmliches Kernspinto­ mographiegerät verwendet werden, das typischerweise mit der Kernresonanz von Protonen arbeitet. Durch diese indirekte Art der Messung erzielt man mehrere Vorteile:

• - Da - je nach angewandter Pulssequenz - eine Kontrastände­ rung in einem mehr oder weniger großen Bereich um die ein­ gebrachte Substanz erfolgt, können schon geringe Mengen von Kontrastmittel zu einer deutlichen Kontraständerung führen. Der nachgewiesene Effekt ist nicht eine Kontraständerung der eingebrachten Substanz per se, sondern die Einwirkung desselben auf die Umgebung. Bei den eingangs beschriebenen Methoden zur Temperaturüberwachung müssen große Substanz­ mengen in den Körper eingebracht werden, um einen Effekt nachzuweisen. Kontrasterzeugung durch Einwirkung auf die Umgebung wird schon bei statischen Kontrastmitteln in Form von ferromagnetischen Mikropartikeln in der MR-Tomographie verwendet. Bei diesen statischen Kontrastmitteln nutzt man allerdings keine Übergänge vom ferromagnetischen in den pa­ ramagnetischen Zustand aus, da die Curie-Temperatur solcher Kontrastmittel weit über dem Bereich von Körpertemperaturen liegt.
• - Da die Bilderzeugung auf den Kernresonanzsignalen von Pro­ tonen beruht, kann man herkömmliche Kernspintomographiege­ räte anwenden.
• - Da die Bildgebung auf den im Körper am häufigsten vorhande­ nen Protonen beruht, erhält man ein gutes Signal-Rausch- Verhältnis, so daß man ein MR-Bild mit der bekannt guten Ortsauflösung verwenden kann.
• - Wie bereits ausgeführt, sind Pulssequenzen unterschiedlich empfindlich auf Magnetfeldstörungen. Gerade besonders schnelle Pulssequenzen zeigen eine hohe Artefaktanfällig­ keit gegen Magnetfeldstörungen. Im vorliegenden Fall sind solche Artefakte aber gerade gewünscht, so daß man sehr schnelle Pulssequenzen einsetzen kann. Damit ist z. B. eine dreidimensionale Temperaturerfassung möglich.

Die Substanz mit der gewünschten Curie-Temperatur kann z. B. in Form von kleinen Nadeln in das Zielvolumen implantiert werden. Dies ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, wo zwei Nadeln 2a und 2b in das Untersuchungsobjekt 1 eingebracht sind. Fig. 2 zeigt schematisch ein MR-Bild in einer Schnitt­ fläche gemäß der gestrichelten Linie in Figur.

Im dargestellten Fall ist die Curie-Temperatur im Bereich der Nadel 2a überschritten, während die Temperatur im Bereich der Nadel 2b unter der Curie-Temperatur liegt. Damit findet im Bereich der Nadel 2b eine Signalauslöschung statt, was im Be­ reich der Nadel 2a nicht der Fall ist. Anstelle implantierba­ rer Strukturen kann man auch eine Suspension von ferromagne­ tischen Mikropartikeln anwenden, ähnlich wie magnetische Flüssigkeiten, die auch als konventionelles MR-Kontrastmittel eingesetzt werden. Damit kann man sehr leicht auch kleinste Regionen identifizieren, in denen die Zieltemperatur über­ schritten wird. Wie bei Kontrastmitteln üblich, werden dabei die Partikel in Hüllen eingebettet, die die Suspension kör­ perverträglich machen.

Ein ferromagnetischer Stoff mit der geeigneten Curie-Tempera­ tur im Bereich von Körpertemperaturen ist beispielsweise eine Palladium-Nickel-Legierung. Fig. 3 und 4 zeigen beispiel­ haft den Suszeptibilitätsverlauf einer solchen Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem atomaren Nickelge­ halt von 26 bzw. 27%. Wie man sieht, kann man durch den Nic­ kelgehalt die gewünschte Curie-Temperatur recht gut einstel­ len und somit an die gewünschte Überwachungstemperatur anpas­ sen. Der Suszeptibilitätsverlauf der Palladium-Nickel-Legie­ rung ebenso wie deren klinische Anwendung in Form von Nadeln für Hyperthermiebehandlung ist aus der Dissertationsschrift von Niek van Wieringen, Universität Amsterdam, vom 26.06.97 bekannt. Dabei wird die Palladium-Nickel-Legierung verwendet, um eine "selbstabschaltende Heizung" im Tumorgewebe zu erzie­ len. Palladium-Nickel-Nadeln werden im Tumorgewebe induktiv mittels Hochfrequenz geheizt, solange sie ferromagnetisch sind. Sobald die curie-Temperatur der Nadeln überschritten wird, werden diese unmagnetisch und heizen nicht mehr. Im allgemeinen wird die Curie-Temperatur dieser Nadeln auf etwa 55°C eingestellt.

Mit einem ferromagnetischen Stoff mit geeigneter Curie-Tempe­ ratur ist es unter Anwendung herkömmlicher MR-Tomographiege­ räte möglich, eine Temperaturüberwachung durchzuführen. Diese Überwachung ist zuverlässig und genau, da der Übergang vom ferromagnetischen in den paramagnetischen Zustand genau defi­ niert und im Bild deutlich sichtbar ist. Aufgrund der MR-Mes­ sung ist eine exzellente Ortsauflösung gegeben und eine Tem­ peraturüberwachung auch tief im Körper möglich. Das Verfahren eignet sich somit gut für die Temperaturüberwachung bei Hy­ perthermie-Behandlung.

Claims (13)

1. Verfahren zur räumlich aufgelösten Temperaturüberwachung in einem Körper (1), dem eine ferromagnetische Substanz (2) zugeführt wird, deren Curie-Temperatur einem gewünschten Temperaturgrenzwert entspricht, wobei mittels einer MR-Messung eine räumlich aufgelöste Darstellung des Körpers (1) gewonnen wird und wobei Artefakte, die im ferromagnetischen Zustand der Substanz verursacht werden, als Kriterium dafür herangezogen werden, daß der Temperaturgrenzwert noch nicht erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die MR-Messung auf Protonen bezieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die MR-Messung eine Pulssequenz verwendet wird, deren Bildkontrast sensitiv auf Suszeptibilitätsänderungen reagiert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als fer­ romagnetischer Stoff eine Palladium-Nickel-Legierung verwen­ det wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Legierung mit einem atomaren Nickel-Anteil im Bereich von 26% verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der fer­ romagnetische Stoff in Form von implantierbaren Strukturen angewandt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der ferromagnetische Stoff in Form einer Nadel angewandt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der fer­ romagnetische Stoff in Form einer injizierbaren Suspension aus eingehüllten ferromagnetischen Mikropartikeln angewandt wird.

9. Suspension von ferromagnetischen Mikropartikeln, wobei die Mikropartikel eine Curie-Temperatur aufweisen, die im Bereich von unterkühlten bis überhöhten Körpertemperaturen liegt und wobei die Mikropartikel so eingehüllt sind, daß sie für einen lebenden Organismus unschädlich sind.

10. Suspension nach Anspruch 9, wobei die ferromagnetischen Mikropartikel aus einer Palladium-Nickel-Legierung bestehen.

11. Suspension nach Anspruch 10, wobei die Legierung einen atomaren Nickelanteil im Bereich von 26% aufweist.

12. Verwendung einer Suspension nach Anspruch 9 als MR-Kon­ trastmittel zur Temperaturüberwachung in einem Körper.

13. Verwendung von ferromagnetischen Strukturen, deren Curie- Temperatur im Bereich von unterkühlten bis überhöhten Körper­ temperaturen liegt zur Implantation in einen Körper zur Tem­ peraturüberwachung mittels ortsaufgelöster MR-Untersuchungen.