DE69920938T2

DE69920938T2 - Behandlung unter verwendung von implantierbaren vorrichtungen

Info

Publication number: DE69920938T2
Application number: DE69920938T
Authority: DE
Inventors: Adly Nagy Ealing HABIB; John Alan SANGSTER
Original assignee: Imperial College Innovations Ltd
Current assignee: Emcision Ltd
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: WO2000004946A2; JP4242567B2; WO2000004946A3; EP1121046A2; US6668197B1; EP1121046B1; DE69920938D1; JP2002521098A; ATE278353T1; GB9816012D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen für die Behandlung eines Menschen oder nicht-humanen Tieres mittels implantierbarer Geräte. Sie ist auf eine Vielzahl von Behandlungen anwendbar, wird im Folgenden aber mit besonderem Bezug auf eine Hyperthermiebehandlung beschrieben, wobei die Erfindung selbstverständlich nicht auf diesen Behandlungstyp beschränkt ist. Außerdem wird die Erfindung mit Bezug auf die Behandlung menschlicher Patienten beschrieben, obgleich die betroffenen Behandlungen selbstverständlich ebenfalls auf nicht-humane Tiere angewendet werden können.
Die Mikrowellenbehandlung tief sitzender Tumoren wird herkömmlich durch Zuführung von Energie von außerhalb des Körpers durch ein Koaxialkabel mit kleinem Durchmesser, das in einem Applikator in Form eines Monopol- oder Dipolstrahlungselements endet, erreicht. Sowohl das Kabel als auch der Applikator werden entweder interstitiell oder durch natürliche Öffnungen in den Körperhöhlen in die Nähe des Tumorbereichs oder in den Tumorbereich eingeführt. Im Allgemeinen ist das Erwärmungsmuster ellipsoidal, wobei die Hauptachse entlang der Achse des Applikators zeigt. Solche Systeme sind schwierig zu nutzen und stellen den Patienten ruhig. Somit ist es wünschenswert, ein alternatives System zu erzeugen, in dem die Behandlung des Patienten unter weniger unangenehmen Bedingungen erreicht werden kann und die die Beweglichkeit der Patienten nicht einschränken.
Implantierbare Hyperthermiegeräte sind in US-A-4719919 und in US-A-4679561 offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erbringung einer Hyperthermiebehandlung geschaffen, welche eine erste Baueinheit, welche im Gebrauch in den Körper des Patienten implantiert ist, und eine zweite Baueinheit, welche sich im Gebrauch außerhalb des Körpers des Patienten befindet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass:

(A) die erste Baueinheit Folgendes aufweist:
(i) eine Vielzahl von Antennenelementen für die Lieferung thermischer Energie an die Stelle oder Stellen, an der/denen eine Hyperthermiebehandlung stattfinden soll;
(ii) eine Vielzahl interner Verbindungselemente entsprechend der Anzahl der Antennenelemente, wobei jedes interne Verbindungselement einem bestimmten Antennenelement zugeordnet ist;
(iii) einen elektrischer Leiter, welcher jedes Antennenelement mit seinem entsprechenden internen Verbindungselement verbindet; und
(B) die zweite Baueinheit Folgendes aufweist:
(i) eine Vielzahl externer Verbindungselemente entsprechend der Anzahl der internen Verbindungselemente der ersten Baueinheit, wobei jedes externe Verbindungselement einem bestimmten internen Verbindungselement zugeordnet ist;
(ii) einen Stromerzeugungskreis, der für die Abgabe elektromagnetischer Energie für die externen Verbindungselemente ausgebildet ist; und
(iii) ein elektronisches Steuersystem zum Steuern des Betriebes der Vorrichtung, weiters dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist:
(i) jedes der externen Verbindungselemente so angeordnet ist, dass es Mikrowellenstrahlung, welche eine Frequenz von 1 bis 2 GHz aufweist, in Richtung seines entsprechenden internen Verbindungselementes sendet, und jedes der internen Verbindungselemente so angeordnet ist, dass es die Mikrowellenstrahlung empfängt; und
(ii) jedes der Antennenelemente so angeordnet ist, dass es diese von seinem entsprechenden internen Verbindungselement empfangene Mikrowellenstrahlung in Wärme umwandelt.

Vorzugsweise ist das implantierte Gerät eine Gleichrichterantenne. Die weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt mit Bezug auf diese bevorzugte Ausführungsform.
Der Gleichrichterantenne ist allgemein ein implantiertes elektrisch betriebenes therapeutisches Gerät zugeordnet. Nicht einschränkende Beispiele des implantierten therapeutischen Geräts umfassen:
ein Gerät zur Abgabe der Wärme auf eine lokalisierte Art und Weise, z. B. zum Behandeln eines Tumors;
eine Pumpe zum Unterstützen des Blutflusses;
einen Stent zum Sicherstellen der Lumendurchgängigkeit hohler Viszera und Gänge, z. B. der Speiseröhre, des Gallenganges, des Bauchspeicheldrüsenganges, des Dickdarmes, des Magens, des Mastdarmes oder der Harnröhre;
einen Drucksensor zum Erkennen lokalisierter Drücke, z. B. innerhalb eines Stents des oben definierten Typs;
einen Durchflussmesser zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids durch einen Gang;
ein Medikamentenfreisetzungsgerät;
einen Schrittmacher; und
einen Detektor für bestimmte chemische oder biologische Materialien oder Spezies, z. B. des chemischen oder zellulären Gehaltes von Blut oder Gewebe;
oder Kombinationen dieser Geräte.
Diese Geräte erfordern typisch Elektroenergie, damit sie funktionieren; in einigen Fällen wird die Elektroenergie in thermische Energie umgewandelt. Wenn das implantierte System z. B. in der Hyperthermiebehandlung verwendet wird, kann es eine Mikrowellenantennenanordnung umfassen, die eines oder mehrere nadelähnliche Dipolelemente verwendet, die in einen tief sitzenden Tumor implantiert werden. Dadurch, dass elektromagnetische Strahlung in den Tumor gerichtet wird, kann ausreichend Wärme erzeugt werden, um die Tumorzellen in einem an die Anordnung angrenzenden definierten Volumen abzutöten. Vorzugsweise trägt die implantierte Anordnung einen oder mehrere Temperatursensoren, die während der Behandlung Informationen über den Temperaturanstieg in dem Krebs liefern. Die Lieferung der Temperaturinformationen ermöglicht, eine automatische Steuerung des Behandlungsprozesses zu schaffen, die richtige Verabreichung der Mikrowellenenergie und das Gesamtmanagement der Behandlung sicherzustellen.
Die lokalisierte Erwärmung kann in mehreren Situationen, z. B. (a) zur Blutungsstillung, z. B. eines Tumors oder in einem nichtbösartigen Zustand wie etwa in gutartigen Geschwüren des Magens oder des Zwölffingerdarms, nützlich sein. Somit kann das therapeutische Gerät eine Elektrode oder eine Baueinheit von Elektroden sein, die durch die Gleichrichterantenne aktiviert wird und eine lokalisierte Erwärmung des angrenzenden Gewebes erzeugt. Eine Elektrode dieser Art kann z. B. um einen Tumor der Prostata, des Dickdarmes, der Blase, des Magens oder der Lunge angeordnet werden; sie kann gleichfalls angrenzend an ein Zwölffingerdarm- oder Magengeschwür angeordnet werden.
Auf Wunsch können weitere Sensoren integriert sein; diese können z. B. dazu verwendet werden, den Behandlungsfortschritt zu beurteilen.
Alternativ könnte das implantierte System eine Gleichrichterantenne sein, die einem Metallstent z. B. in dem Bauchspeicheldrüsengang eines Patienten, der an Bauchspeicheldrüsenkrebs leidet, zugeordnet ist, wobei die durch die Gleichrichterantenne zugeführte Leistung dazu verwendet wird, den Stent zu erwärmen, der seinerseits Wärme auf die bösartigen Gewebe des Organs überträgt.
Außerdem findet die Erfindung in Operationen Anwendung, die die Ballondilatation und/oder die Koronarstent-Implantation umfassen. Diese Operationen neigen dazu, die Bildung von Fasergewebe zu begünstigen, was zur Stenose, z. B. zur Unterbrechung eines Blutgefäßes nach der Entfernung der Dilatationsausrüstung, führen kann. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung können diese Gefahren der Stenose beseitigt oder gemildert werden, indem der Stent während einer Koronarstent-Implantationsprozedur oder durch Anwenden von Wärme angrenzend an ein Gebiet, das der Ballondilatation unterliegt, erwärmt wird.
Die Steuerung tief eingebetteter Krebse, z. B. in der Leber, ist problematisch. Mittels der vorliegenden Erfindung können eine Reihe von Hyperthermiebehandlungen über einen verlängerten Zeitraum ausgeführt werden, wodurch etwas erbracht wird, was für eine effektivere Behandlung gehalten wird. Außerdem kann die Behandlungskur mit minimaler Unannehmlichkeit für den Patienten nach Abschluss der Implantationsoperation durchgeführt werden.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass sie die drahtlose Übertragung von Elektroenergie durch transkutanes Gewebe mit einer Frequenz ermöglicht, die mit der einer lokalisierten Hyperthermiebehandlung verträglich ist. Die momentan verfügbaren Systeme für die transkutane Energieübertragung arbeiten allgemein bei niedrigen Frequenzen (bis zu 500 kHz) und beruhen auf der induktiven Verbindung zwischen planaren Spulen. Diese Systeme können Leistungspegel von bis zu 40 Watt mit einem Wirkungsgrad von 70–80 % übertragen. Allerdings sind diese Systeme für die lokalisierte Hyperthermiebehandlung, die Mikrowellenapplikatoren verwendet, wegen der Notwendigkeit, in der implantierten Komponente des Systems eine Frequenzaufwärtsumsetzung zu erzeugen, ungeeignet; dies ist ein ineffizienter Schritt, der den Gesamtwirkungsgrad des Leistungsübertragungssystems verschlechtert. Dadurch, dass eine drahtlose Übertragung mit Mikrowellenfrequenzen geschaffen wird, wird dieser ineffiziente Schritt vermieden. Für das Gleichrichterantennenelement des Systems bedeutet die Arbeit bei Mikrowellen frequenzen, dass die verfügbare Bandbreite für die Telemetrie im Vergleich zu der bei Systemen mit Niederfrequenzverbindung verfügbaren stark verbessert ist.
In der Praxis dieser Erfindung ist die Strahlung Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 1–2 GHz. Der implantierte Empfänger ist eine herkömmlich angeordnete Mikrowellenantenne. Der Eintritt der Strahlung in den Körper wird vorzugsweise mittels eines Hochfrequenzmagnetfeldverbinders erreicht, der in dem Gebiet von 1000–2000 MHz arbeitet und so beschaffen ist, dass er während der Bestrahlungsbehandlung eine Leistung von zumindest 15 Watt transportiert. Auf diese Weise kann der Übertragungswirkungsgrad maximiert werden, während die Gewebeerwärmung in der dazwischen liegenden Hautschicht minimiert wird. Die Wahl der Arbeitsfrequenz ist allgemein durch die Größe des zu behandelnden Bereichs und seine Tiefe in dem Körper bestimmt; es wird angenommen, dass die wirksamste Behandlung für tief sitzende Tumoren die Verwendung nadelähnlicher Dipolanordnungen, die in den Tumor eingebettet sind, und die Lieferung von Strahlung im Mikrowellenbereich sind. Die Nadeln können so angeordnet sein, dass sie die Energie auf Wunsch gleichzeitig oder in einer vorgegebenen Folge liefern. Ein weiterer Vorteil der Arbeit in dem Mikrowellenfrequenzbereich ist, dass ausreichend Bandbreite verfügbar ist, die ermöglicht, dass dieselbe Antennenanordnung für eine der Steuer- und Überwachungsfunktion zugeordnete Telemetrie verwendet wird.
Eine Ausführungsform des Magnetfeldverbinders umfasst einen rechtwinkligen oder kreiszylinderförmigen Resonanzhohlraum, der vorzugsweise in seiner niedrigsten TM-Mode arbeitet. Eine Stirnwand des Resonanzhohlraumverbinders – typisch etwa 5 mm dick – wird in einer Tiefe von 5 mm unter die Haut des Patienten eingeführt. In dem Hohlraum sind geeignet ausgerichtete Verbindungsöffnungen vorgesehen. Auf diese Weise kann Energie aus dem Hohlraum mit dem Antennenspeisungssystem verbunden werden. Vorzugsweise wird jedem internen Nadelelement der Antenne durch seine eigene Verbindung Energie zugeführt.
Vorzugsweise werden nadelähnliche Dipolantennenelemente verwendet, die 0,5 – 2,5 cm lang sind und einen Durchmesser von bis zu 2 mm haben. Diese können mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad thermische Energie an tief sitzende Tumoren liefern, in die sie implantiert sind.
Ein Element der Verbinderanordnung kann die Form einer Gleichrichterantenne annehmen, die die empfangene Mikrowellenenergie in dem Körper gleichrichtet, um eine Spannung zu liefern, die die implantierte Elektronik und die implantierten Sensoren einschaltet. Um während des Einschaltens die Übertragung von Sensorinformationen zurück an das externe Überwachungssystem zu ermöglichen, ist in dem System vorzugsweise eine Multiplexier- und Codierelektronik enthalten.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht werden kann, wird nun beispielhaft auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in der:
1 schematisch das Leistungsübertragungs-Grundsystem dieser Erfindung veranschaulicht;
2 weitere Einzelheiten der Anordnung der implantierten Komponenten und ihres Betriebs bei der Hyperthermiebehandlung eines Patienten zeigt;
3A und 3B in den Dickdarm bzw. in den Bauchspeicheldrüsengang implantierte Stents veranschaulichen.
Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Dipolantennenanordnung 1 in ein malignes Gebiet der Leber 2 eines Patienten implantiert. Ein elektromagnetischer Verbinder 3 umfasst eine erste Komponente 4, welche im Gebrauch benachbart zu dem Körper des Patienten angeordnet ist; sowie eine zweite Komponente 5, die in einer Tiefe von etwa 5 mm in den Körper des Patienten implantiert ist. Die Versorgung der externen Verbinderkomponente 4 mit Leistung wird mittels eines Elektroniksystems 6 unter der Steuerung eines PC 7 erreicht.
Anhand von 2 ist eine praktische Implementierung gezeigt, in der in einen Tumor in dem Patienten (wie in 1 veranschaulicht) vier Zwischenantennenelemente 10, 11, 12 und 13 eingeführt sind. Jedes Antennenelement ist 2 cm lang und besitzt einen Durchmesser von 1,5 mm, wobei ihm ein (nicht von dem Antennenelement an sich getrennt gezeigtes) Temperatursensorelement zugeordnet ist. Zur Erleichterung der Darstellung sind die Antennenelemente als zueinander parallel gezeigt; tatsächlich sind sie allgemein gleichförmig um den Tumor angeordnet und zur Mitte des Tumors gerichtet. Diese Geometrie fördert eine effektive Wärmebehandlung in dem Tumor.
Jedes der Elemente 10–13 ist jeweils durch die Leiter 81–84 mit seinem eigenen entsprechenden internen Verbindungselement 51–54 verbunden. Die Steuerungs- und Leistungselektroniken 7 und 6 sind schematisch veranschaulicht. Das Gleichrichterantennenelement 55 ist über die Leitung 85 und einen Multiplexier- und Codierchip 110 mit den Sensoren an den Antennenelementen 10–13 und mit einem Dämpfungsabtastdipol 14 verbunden.
Jedes der internen Verbindungselemente 51–55 wirkt jeweils mit den externen Verbindungselementen 41–45 zusammen. Das Element 45 ist mit einem Empfänger 90 verbunden, der die Filter 91 enthält und funktional mit einem Prozesssteuerungssystem 100 verbunden ist, das seinerseits funktional mit dem PC 7 verbunden ist.
Außerdem ist in den Patienten ein Empfänger 110 implantiert, der einerseits funktional mit den Temperatursensoren der Elemente 10–13 und mit dem Dämpfungsabtastdipol 14; und andererseits mit den Verbindungselementen 51–55 verbunden ist.
Mittels eines wie eben beschriebenen Systems kann eine verhältnismäßig einfache, selbstregulierte Steuerung von Tumoren geschaffen werden, die wegen ihrer Lage oder ihrer Eigenschaften oder der Vorbehandlungshistorie des Patienten herkömmlichen Behandlungsverfahren nichts zugänglich sind.
Das oben beschriebene System kann in Verbindung mit Sekundärtechniken, z. B. der direkten Injektion von Parakrinhormonen oder von Zellen, die Parakrinhormone absondern, verwendet werden. Es wird angenommen, dass diese die Apoptose der Tumoren fördern und/oder die Infiltration des erwärmten Tumors durch Zellen des angeborenen Immunsystems anregen.
Bei der Konstruktion der Komponenten zur Implantation in der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, die Größe der Komponenten zu minimieren, um die Gewebeschädigung während des Implantationsschritts zu verringern; ihre Starrheit zu maximieren, um die Genauigkeit zu erhöhen, mit der sie im Körper eines Patienten positioniert werden können; und die Komponenten in ungiftigem, nicht reagierendem Material zu kapseln. Ferner ermöglicht das verwendete Steuersystem vorzugsweise verschiedene Aktivierungsmodi der Antennenelemente 10–13, um die Variation der raumzeitlichen Wärmeabgabe zu ermöglichen.
Die 3A und 3B zeigen metallische oder metallhaltige Stents S₁ bzw. S₂ in dem menschlichen Dickdarm und in dem menschlichen Bauchspeicheldrüsengang. Diese dienen dazu, die Lumendurchgängigkeit der Organe oder Gänge, in die sie implantiert werden und wo ein teilweiser oder vollständiger Verschluss (z. B. durch einen Tumor) aufgetreten ist, aufrechtzuerhalten. Durch Implantation von Verbindungselementen und einer Gleichrichterantenne in operativer Verbindung mit dem Stent kann Wärme zugeführt werden, um die Tumorzellen zu töten. Wie in 2 veranschaulicht ist, können Steuer- und Überwachungseinrichtungen eingebaut werden, um eine telemetrische Steuerung und einen telemetrischen Betrieb der Hyperthermiebehandlung zu schaffen.

Claims

Vorrichtung zur Erbringung einer Hyperthermiebehandlung, welche eine erste Baueinheit, welche im Gebrauch in den Körper des Patienten implantiert ist, und eine zweite Baueinheit, welche sich im Gebrauch außerhalb des Körpers des Patienten befindet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: (A) die erste Baueinheit Folgendes aufweist: (i) eine Vielzahl von Antennenelementen (10–13) für die Lieferung thermischer Energie an die Stelle oder Stellen, an der/denen eine Hyperthermiebehandlung stattfinden soll; (ii) eine Vielzahl interner Verbindungselemente (51–54) entsprechend der Anzahl der Antennenelemente (10–13), wobei jedes interne Verbindungselement einem bestimmten Antennenelement zugeordnet ist; (iii) einen elektrischer Leiter (81-84), welcher jedes Antennenelement mit seinem entsprechenden internen Verbindungselement verbindet; und (B) die zweite Baueinheit Folgendes aufweist: (i) eine Vielzahl externer Verbindungselemente (41–44) entsprechend der Anzahl der internen Verbindungselemente (51–54) der ersten Baueinheit, wobei jedes externe Verbindungselement einem bestimmten internen Verbindungselement zugeordnet ist; (ii) einen Stromerzeugungskreis (6), der für die Abgabe elektromagnetischer Energie für die externen Verbindungselemente ausgebildet ist; und (iii) ein elektronisches Steuersystem (7) zum Steuern des Betriebes der Vorrichtung, weiters dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist: (i) jedes der externen Verbindungselemente (41–44) so angeordnet ist, das es Mikrowellenstrahlung, welche eine Frequenz von 1–2 GHz aufweist, in Richtung seines entsprechenden internen Verbindungselementes (51–54) sendet, und jedes der internen Verbindungselemente (51–54) so angeordnet ist, dass es eine solche Mikrowellenstrahlung empfängt; und
Geräteset nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das therapeutische Gerät einen oder mehrere nadelähnliche, in einen Tumor implantierbare Dipolelemente aufweist.
Geräteset nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das therapeutische Gerät eine Elektrode oder eine Elektrodenbaueinheit aufweist, welche in der Lage ist, angrenzende Gewebe zu erwärmen.
Geräteset nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode oder Elektrodenbaueinheit um einen Tumor herum positionierbar ist.
Geräteset nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das therapeutische Gerät einen Stent aufweist, welcher auf das Erwärmen eingestellt werden kann.
Geräteset nach einem der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch das zusätzliche Enthalten eines Hochfrequenz-Magnetfeldkopplers, um bei Betrieb den Eintritt der Strahlung in den Körper bereitzustellen.
Geräteset nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldkoppler so konstruiert ist, dass er während der Bestrahlungsbehandlung mindestens 15 Watt Leistung überträgt.