EP4637521A1 - Messvorrichtung für die detektion von biologischen und/oder physikalischen parametern mit hilfe eines applikators - Google Patents

Messvorrichtung für die detektion von biologischen und/oder physikalischen parametern mit hilfe eines applikators

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Publication number
EP4637521A1
EP4637521A1 EP23837573.7A EP23837573A EP4637521A1 EP 4637521 A1 EP4637521 A1 EP 4637521A1 EP 23837573 A EP23837573 A EP 23837573A EP 4637521 A1 EP4637521 A1 EP 4637521A1
Authority
EP
European Patent Office
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measuring device
electromagnetic waves
applicator
biological material
signal source
Prior art date
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Pending
Application number
EP23837573.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Wust
Pirus GHADJAR
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Charite Universitaetsmedizin Berlin
Original Assignee
Charite Universitaetsmedizin Berlin
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Filing date
Publication date
Application filed by Charite Universitaetsmedizin Berlin filed Critical Charite Universitaetsmedizin Berlin
Publication of EP4637521A1 publication Critical patent/EP4637521A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6887—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient mounted on external non-worn devices, e.g. non-medical devices
    • A61B5/6891—Furniture

Definitions

  • the invention relates to a measuring device and a method for detecting biological and/or physical parameters with the aid of an applicator as well as a therapy system for exposing a biological material of a mammal to electromagnetic waves and a therapy method for treating tumors.
  • EMF high-frequency electromagnetic fields
  • a non-temperature-induced effect is considered to be proven if the EMF causes a higher cytotoxic effect on cells than water bath hyperthermia at the same or higher temperature under otherwise identical conditions.
  • the carrier frequency of the EMF that is best suited to increase the cytotoxic effects is currently unknown.
  • the carrier frequency of 13.56 MHz is an approved frequency that was chosen mainly for practical reasons.
  • the experimentally confirmed non-temperature-induced effects were explained by processes at ion channels and protein interactions (delta dispersion).
  • the delta- Dispersion leads to an increase in the dielectric constant s r to several hundred compared to the clinically used EMF frequencies in hyperthermia of 70-100 MHz (so-called annular phased array technique).
  • s r is about 80 and corresponds to the s r of the extracellular space. Interactions with cell components probably no longer occur in the frequency range above 70 MHz. It is rather unlikely that the carrier frequency of 13.56 MHz leads to the highest non-temperature-induced effects.
  • a further reduction in the carrier frequency to the MHz range would lead to s r of several 1000, which increases the interactions with the cell membrane.
  • the cell membranes of tumor cells have a lower Young's modulus than normal tissue cells.
  • the Young's modulus of the cell membranes of tumor cells appears to be lower the more aggressive they are.
  • German patent application DE 10 2006 043984 A1 describes a detachable electrode coupled to an electric field for transmitting energy and its use with a hyperthermia device having an electric field.
  • the detachable electrode enables the electrode to be connected to and disconnected from a hyperthermia device having an electric field in a simple and effective manner.
  • European patent application EP 0 430 340 A2 describes a non-invasive oximeter arrangement with a clamp-like sensor for, for example, a finger, a Self-calibrating control unit for detecting and processing two electromagnetic waves of a predetermined wavelength and an intermediate transmission path for use in environments with strong electromagnetic influences, while simultaneously eliminating sources of interference and errors such as movement errors, coupling factors of the sensor on the finger, etc.
  • the control unit also has a transmitter (LED), a receiver and a computing unit for determining the oxygen content of the blood from the relative size of the pulse-dependent modulation level of the electromagnetic waves reflected from the finger, which were previously differently coded and correspond to the spectral windows of the transmission path.
  • a first electromagnetic wave of 660 nm and a second wavelength of approx. 780 nm to approx. 850 are used.
  • the two electromagnetic waves received by the receiver are each electromagnetic waves reflected from the finger, each of which was emitted separately by the transmitter.
  • the electromagnetic fields (EMF) or electromagnetic waves or electromagnetic radiation are generated by means of an electrical oscillating circuit or LC oscillating circuit or resonance circuit, which in addition to at least one inductance such as a coil also includes one or more capacitances such as capacitors.
  • an electrical oscillating circuit a periodic exchange of energy takes place between a magnetic field of the inductance and an electrical field of the capacitance. This results in alternating high current or high voltage.
  • the carrier frequency of the electromagnetic waves corresponds to the resonance frequency of the electrical oscillating circuit, which is characterized or described by the capacitance of the capacitor(s), the inductance of the coil(s) and a loss resistance in the electrical oscillating circuit.
  • the biological material e.g.
  • the tissue such as tumor cells
  • the electromagnetic waves of a desired carrier frequency power absorption occurs through the biological material.
  • the power absorption represents a further, variable loss resistance in the electrical oscillating circuit. If the power absorption changes, the tuning of the electrical oscillating circuit can be adjusted to the The desired carrier frequency can be ensured by changing the capacitance of the capacitor(s) and/or the inductance of the coil(s).
  • the present invention is about targeted changes in the four-dimensional parameter space.
  • the change in the parameters leads to increased non-temperature-induced effects that are to be exploited in therapy.
  • the changes in the impedance of the electrical resonant circuit are represented by the capacitance changes of the capacitor(s) of the electrical resonant circuit necessary to ensure the desired carrier frequency of the electromagnetic waves.
  • the invention is based on the technical problem of measuring the impedance and other biological and/or physical parameters of the biological material at to enable treatment with electromagnetic waves by varying parameters such as the carrier frequency and power of the electromagnetic waves, the amplitude modulation parameters, and the temperature of the biological material.
  • the parameters are varied in short temporal sequence and the impedance is observed either in real time or retrospectively. This is intended to identify suitable parameter combinations that maximize the non-temperature-induced effects and thus the biological effectiveness and thus the cytotoxic effects in the biological material. The identified parameter combinations can then be used therapeutically.
  • a changed temporal sequence of the parameters such as the carrier frequency and power of the electromagnetic waves as well as the amplitude modulation parameters can further increase the non-temperature-induced effects or the effectiveness.
  • This technical problem is solved by a measuring device and a method for detecting biological and/or physical parameters with the aid of an applicator as well as a therapy system for exposing a biological material of a mammal to electromagnetic waves and a therapy method for treating oncological tumors according to the present invention.
  • the measuring device for detecting biological and/or physical parameters with the aid of an applicator comprises the applicator, which is designed to apply electromagnetic waves generated by a signal source to a biological material.
  • the measuring device further comprises a detection unit, which is designed to detect the electromagnetic waves generated by the signal source as well as electromagnetic waves returning to the applicator due to reflection from the biological material, and a processing unit, which is designed to determine the biological and/or physical parameters from at least one of the electromagnetic waves and the returning electromagnetic waves.
  • the measuring device may further comprise the signal source for generating the electromagnetic waves.
  • the applicator may be arranged with the signal source in an electrical oscillating circuit and the applicator may be replaceable.
  • the measuring device may further comprise a control unit, wherein the control unit is arranged with the applicator and the signal source in an electrical oscillating circuit.
  • the applicator may comprise an electrode and a counter electrode or the applicator may comprise an electrode which serves as a counter electrode to an electrode integrated in a treatment table.
  • the detection unit may comprise at least one of a network analyzer, oscilloscope and analog-to-digital converter.
  • the measuring device may further comprise a dual-directional or two bidirectional or two directional couplers arranged in series, which is/are arranged to transmit the electromagnetic waves from the signal source proportionally to the applicator and the detection unit.
  • the coupler may be further configured to transmit the returning electromagnetic waves to the detection unit.
  • the electromagnetic waves can have an adjustable power, an adjustable carrier frequency and/or an adjustable amplitude modulation and the amplitude modulation can have a frequency and a modulation index.
  • the detection unit can be further configured together with the processing unit to determine an impedance.
  • the measuring device may further comprise a temperature unit configured to determine a temperature of the biological material.
  • the temperature unit can be arranged to operate in a control loop with a temperature system for controlling the temperature of the biological material.
  • the therapy system for exposing a biological material of a mammal to electromagnetic waves comprises a signal source for generating the electromagnetic waves, a measuring device according to the present invention and the treatment table with the integrated electrode suitable for the treatment of humans and/or animals.
  • the signal source, the applicator of the measuring device and the integrated electrode are arranged in an electrical oscillating circuit.
  • the measuring device can operate as an applicator at least one of different applicators for preclinical in vitro and in vivo treatment as well as clinical treatment of patients.
  • the measuring method for detecting biological and/or physical parameters using an applicator comprises the steps of generating electromagnetic waves using a signal source, the electromagnetic waves having a carrier frequency and an amplitude modulation, and applying the generated electromagnetic waves to a biological material using the applicator.
  • the method further comprises the steps of detecting the electromagnetic waves reflected from the biological material using the detection unit and determining the biological and/or physical parameters using the processing unit, the determination being made from at least one of the generated electromagnetic waves and the reflected electromagnetic waves.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a measuring device according to the present invention.
  • Fig. 2 shows a block diagram of a first aspect of the measuring device according to the present invention.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a second aspect of the measuring device and a therapy system according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a process flow diagram of a measuring method according to the present invention. Detailed description of the invention
  • Fig. 1 shows a block diagram of a measuring device 10 according to the present invention.
  • the measuring device 10 comprises an applicator 20, with the aid of which electromagnetic waves EM can be applied to a biological material 30.
  • the biological material 30 can be, for example, tissue such as tissue of a mammal and such as tumor cells.
  • the biological material 30 has biological and physical parameters 15. Examples of the biophysical parameters are the ion channel expression (channelome), the expression of proteins/lipids in the cell membrane and the cell membrane elasticity (Young's modulus), although other biophysical parameters are also possible.
  • the applicator 20 can have different designs, two of which are described in Fig. 2 and Fig. 3.
  • the electromagnetic waves EM emitted by the applicator 20 strike the biological material 30 and are reflected by it as returning electromagnetic waves EM'.
  • the applicator 20 and the biological material 30 can be aligned with each other such that the biological material 30 is exposed to the electromagnetic waves EM emitted by the applicator 20 and that the returning electromagnetic waves EM' reflected by the biological material 30 in turn strike the applicator 20 so that the applicator 20 can absorb the returning electromagnetic waves EM'.
  • the applicator 20 is arranged with a signal source 35 in an electrical oscillating circuit or LC oscillating circuit or resonance circuit.
  • the signal source 35 can be designed separately from the measuring device 10 and connected to the measuring device 10. Alternatively, the signal source 35 can be integrated into the measuring device 10.
  • the applicator 20 represents a capacitance in the electrical oscillating circuit. The capacitance of the Applicator 20 is determined by the design of the applicator as well as by the biological
  • Material 30 is influenced (this is described in more detail in Fig. 2 and Fig. 3).
  • the signal source 35 comprises an inductance such as a coil, which is necessary for the realization of the electrical oscillating circuit.
  • the inductance can be designed to be adjustable.
  • the signal source 35 further comprises at least one further adjustable capacitance such as a capacitor with adjustable capacitance and a function generator such as an arbitrary generator for generating any periodic electrical signals.
  • the inductance, the adjustable capacitance and the function generator of the signal source 35 are electrically connected to the applicator 20 in such a way that they form the electrical oscillating circuit.
  • the adjustable capacitance and the inductance may not be included in the signal source 35, but may be provided separately in the measuring device 10.
  • the adjustable capacitance and the inductance may be provided in a separate control unit 37.
  • the measuring device 10 also includes the control unit 37.
  • the control unit 37 is connected to the signal source 35 and the applicator 20 to form the electrical oscillating circuit and may also include more than one adjustable capacitance and one adjustable inductance.
  • the control unit 37 may alternatively also be provided separately from the measuring device 10 and the signal source 35 and connected to the measuring device 10 and the signal source 35 to form the electrical oscillating circuit.
  • the adjustable capacitance and the inductance as well as the applicator are connected in series, whereby the electrical oscillating circuit is a series oscillating circuit.
  • the measuring device 10 can alternatively also be implemented with a parallel oscillating circuit.
  • Individual or several previously described components of the signal source 35 can alternatively also be integrated in the measuring device, as long as the components mentioned are connected to the electrical oscillating circuit.
  • the electrical oscillating circuit has a resonance frequency at which a periodic exchange of energy takes place between a magnetic field of the inductances and an electric field of the capacitances.
  • the resonance frequency results from the inductances and capacitances contained. Due to the damping caused by losses (such as ohmic losses in the components and cables used), the amplitude of the oscillation of the electrical oscillating circuit would decrease over time. This can be achieved by regularly supplying energy to the electrical
  • Oscillating circuit can be prevented.
  • the function generator is used to excite the electrical oscillating circuit by regularly supplying energy.
  • the electrical oscillating circuit can thus oscillate continuously at its resonance frequency.
  • a variable setting of the resonance frequency of the electrical oscillating circuit is desired.
  • the function generator can therefore excite the electrical oscillating circuit with the desired resonance frequency.
  • a power P of the electromagnetic waves EM can be varied using the function generator.
  • the (adjustable) inductance(s) and the (adjustable) capacitance(s) of the signal source 35 or the measuring device 10 or the control unit 37 as well as the capacitance of the applicator 20 must be coordinated with one another so that the resonance frequency of the oscillating circuit corresponds to the desired carrier frequency RF.
  • the resonance frequency of the electrical oscillating circuit can thus be adjusted by specifically varying the capacitance(s) and inductance(s) of the components connected to the electrical oscillating circuit.
  • the inductance and/or the capacitance can be designed to be adjustable.
  • the inductance can be designed as a coil with a ferromagnetic core, for example, whereby the ferromagnetic core can be inserted into the coil with a variable length. This allows the inductance of the coil to be adjusted.
  • the capacitance can be designed to be adjustable, for example, by using a capacitor with a variable PI distance or a capacitor with a variable proportion of the opposing surfaces.
  • the Capacitance(s) and inductance(s) can be readjusted in order to regulate the resonance frequency of the electrical oscillating circuit to a desired value.
  • This regulation can be carried out by the separate control unit 37, which comprises the adjustable capacitance(s) and inductance(s).
  • this regulation can also be carried out by the signal source 35, provided that the signal source 35 comprises the adjustable capacitance(s) and inductance(s).
  • the function generator can also modulate the amplitude of the oscillation of the electrical oscillating circuit with a variable frequency and variable modulation index and thus realize an amplitude modulation AM.
  • Examples of possible parameter ranges of the amplitude modulation AM that can be set with the function generator are 1 Hz - 1 MHz for the frequency and 10 - 100% for the modulation index.
  • the output power of the function generator is variable and selected to be sufficiently high in order to achieve a sufficiently high level in the applicator 20.
  • the adjustability of the capacitance(s) of the signal source 35 also serves to maintain the desired resonance frequency with increased loss resistance of the electrical oscillating circuit, since the resonance frequency of a real oscillating circuit is also influenced by the loss resistance.
  • An increased loss resistance occurs when the power absorption by the biological material 30 changes, whereby an increased power absorption by the biological material 30 and thus a change in the power absorption can be observed, particularly when the amplitude modulation AM is switched on.
  • the measuring device 10 further comprises a dual-directional or two bidirectional or two directional coupler 40.
  • the coupler 40 is designed to transmit the electromagnetic waves EM from the electrical oscillating circuit proportionally to the applicator 20 and to a detection unit 45 of the measuring device 10.
  • the transmission ratio of the electromagnetic waves EM transmitted to the applicator 20 and to the detection unit 45 is variable.
  • the coupler 40 also transmits the returning electromagnetic waves EM' reflected from the biological material 30 and the applicator 20 to the detection unit 45.
  • the measuring device 10 further comprises the detection unit 45.
  • the detection unit 45 detects the electromagnetic waves EM as well as the returning electromagnetic waves EM', which are fed to the detection unit 45 via the coupler 40.
  • the detection unit 45 and the signal source can alternatively be designed as a single unit.
  • the measuring device 10 further comprises a processing unit 50 such as a network analyzer.
  • the processing unit 50 analyzes the electromagnetic waves EM and returning electromagnetic waves EM' detected by the detection unit 45.
  • the processing unit 50 determines, for example, the impedance Z of the electrical oscillating circuit in phase 0 and amplitude
  • to Z
  • the signal source 35, the coupler 40, the detection unit 45 and/or the processing unit 50 can alternatively be designed individually or in any combination as separate components from the measuring device 10 and can be connected to the measuring device.
  • the temperature of the biological material 30 can be determined by means of a temperature unit 55.
  • the temperature unit 55 can be designed, for example, as a temperature sensor that can be arranged in or on the biological material 30.
  • the temperature unit 55 is connected to a temperature system 58.
  • the temperature system 58 can keep the temperature of the biological material 30 in a desired temperature interval, even with increased energy input into the biological material 30 by applying the electromagnetic waves EM to the biological material 30.
  • the temperature system 58 uses the temperature of the biological material 30 determined by the temperature unit 55 for temperature control.
  • the temperature system 58 can increase and/or reduce the temperature of the biological material.
  • the temperature system 58 is used in particular with the applicator 20 suitable for in vitro examinations according to the first aspect.
  • the temperature control of the biological material can be carried out by the living being itself.
  • the temperature of the biological material 30 of the living being during in vivo examinations or treatments can also be achieved by other means, such as fans and/or cooling/heating pads.
  • the temperature system 58 can be designed, for example, as a flow-through temperature system.
  • the biological material is surrounded on all sides by a heat transfer medium such as a coolant, which serves to remove or supply thermal energy from or to the biological material 30.
  • the measuring device 10 allows a user-friendly test of the parameters carrier frequency RF, frequency and modulation index of the amplitude modulation AM as well as the temperature of the biological material 30 (as a co-variable) with regard to non-temperature-induced cytotoxic effects in the biological material.
  • the biological endpoints apoptosis, clonogenicity, etc.
  • a comparison with (conventional) water bath hyperthermia at the selected temperature for example 37 - 42 °C) under otherwise identical conditions is required.
  • the measuring device 10 also consists of standard high-frequency components such as amplifiers with sufficient bandwidth with matching network and selectable amplitude modulation, thermometry, water flow system, network analyzer system with passive high-frequency components (in the desired frequency range up to 120 MHz) and applicators (capacitive electrodes). Due to the rather low frequency range ⁇ 120 MHz for high-frequency applications, the costs for the standard components can be kept low.
  • standard high-frequency components such as amplifiers with sufficient bandwidth with matching network and selectable amplitude modulation, thermometry, water flow system, network analyzer system with passive high-frequency components (in the desired frequency range up to 120 MHz) and applicators (capacitive electrodes). Due to the rather low frequency range ⁇ 120 MHz for high-frequency applications, the costs for the standard components can be kept low.
  • Fig. 2 shows a block diagram of a first aspect of the measuring device 10 according to the present invention. Components designated with the same reference numerals as in Fig. 1 will not be described again.
  • the applicator 20 according to the first aspect consists of an electrode 22 and a counter electrode 24, which form a capacitor with a capacitance which is part of the previously described electrical oscillating circuit.
  • the electrode 22 and the counter electrode 24 are arranged such that the biological material 30 can be arranged between the electrode 22 and the counter electrode 24.
  • the applicator 20 allows the use of commercially available standard laboratory components in exchange.
  • the electrode 22 and the counter electrode 24 are arranged in such a way that the biological material 30 in a Petri dish (for example with a diameter of 35 mm and a height of 10 mm) can be introduced between the electrode 22 and the counter electrode 24.
  • the biological material 30 introduced between the electrode 22 and the counter electrode 24 can thus be exposed to the electromagnetic waves EM.
  • the applicator 20 according to the first aspect of the invention is thus suitable for in vitro investigations on cells.
  • the biological material 30 can be surrounded on all sides by the coolant of the temperature system 58 in order to ensure the desired temperature in the biological material 30.
  • the capacity of the applicator 20 influences the resonance frequency of the electrical oscillating circuit.
  • the capacity of the applicator 20 is influenced by the design and arrangement of the electrode 22 and the counter electrode 24 as well as by the biological material 30 and the coolant of the temperature system 58.
  • the size, shape, volume and material of a vessel containing the biological material 30, such as the Petri dish or micro-animal plates, also influence the capacity of the applicator 20.
  • the applicator 20 for in vitro examination of cells using Petri dishes of 35 mm diameter and 10 mm height and using water flow cooling can have a capacitance of 33 pF.
  • an inductance of the signal source 35 of 4.2 pH is to be selected. If the carrier frequency RF is to be able to be varied in the range from 1 MHz to 100 MHz, the inductance of the signal source 35 must be able to be varied in a range from 770 pH to 0.077 pH. Inductances in this range are commercially available and allow the carrier frequency to be varied in steps.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a second aspect of the measuring device 10 and a therapy system 100 according to the present invention. Components designated with the same reference numerals as in Fig. 1 and Fig. 2 are not described again.
  • the applicator 20 according to the second aspect comprises only one electrode 22 and no counter electrode.
  • the electrode 22 is designed such that it can be positioned in relation to an electrode 62 integrated in a treatment table 60 such that biological material 30 can be placed between the electrode 22 of the applicator 20 and the integrated electrode 62 of the treatment table 60.
  • the electrode 22 and the integrated electrode 62 thus form a capacitor with a capacitance, which is part of the electrical oscillating circuit described above.
  • the electrical oscillating circuit in this case therefore consists of the signal source 35, the applicator 20 and the integrated electrode 62 of the treatment table 60.
  • the biological material 30 is not limited to cell samples, so that the applicator 20 according to the second aspect of the invention is suitable for in vivo examinations on living beings, such as mammals.
  • the therapy system 100 comprises, in addition to the measuring device 10, the signal source 35 and the treatment table 60 with the integrated electrode 62.
  • the treatment table 60 is designed for the treatment of a human patient.
  • the signal source 35, the measuring device 10 and the treatment table 60 are electrically connected to one another in such a way that the electrode 22 of the applicator 20 of the measuring device 10, the integrated electrode 62 of the treatment table 60 and the adjustable capacitance(s) and inductance(s) as well as the function generator of the signal source 35 form the electrical oscillating circuit.
  • the therapy system 100 can be used to determine the appropriate parameters such as carrier frequency RF, frequency and modulation index of the amplitude modulation AM as well as the temperature for the treatment of the patient with the electromagnetic waves EM. This makes it possible to determine a personalized therapy with optimal therapy parameters for the respective patient.
  • the therapy system 100 can be used for this very treatment.
  • a higher power of the electromagnetic waves is required for the treatment of a patient than for the determination of the optimal parameters.
  • the required power can, for example, be in the range of 100 to 400 W, in another aspect in the range of 100 to 200 W.
  • the high-frequency components used in the measuring device 10 and the signal source 35 must be dimensioned for the higher required power.
  • the optimal therapy parameters for a personalized therapy can be determined with the measuring device 10 of the therapy system 100, for example in vitro with cultured tumor cells using the applicator 20 according to the first aspect of the invention.
  • the treatment of the patient with the determined optimal therapy parameters can then be carried out with the applicator 20 according to the second aspect of the invention.
  • the therapy system 100 can in this case comprise both the applicator 20 according to the first aspect and the applicator 20 according to the second aspect.
  • the therapy system 100 can also be used for veterinary tumors if its components are appropriately dimensioned.
  • the therapy system 100 described enables personalized locoregional oncological therapy. This can improve the current standard therapy in oncology. Examples include liver metastases or brain metastases in conjunction with systemic and/or radiotherapy for numerous tumor entities (gastrointestinal tumors, breast carcinomas, bronchial carcinomas, glioblastomas, etc.).
  • Fig. 4 shows a process flow diagram of a measuring method 200 according to the present invention.
  • electromagnetic waves EM are generated by means of a signal source 35.
  • the signal source 35 is arranged with an applicator 20 of a measuring device 10 in an electrical oscillating circuit.
  • the electromagnetic waves EM have adjustable parameters such as a carrier frequency RF and a frequency and a modulation index of a switchable amplitude modulation AM.
  • a step S110 the electromagnetic waves EM are applied to a biological material 30 by means of the applicator 20.
  • the waves on the biological The returning electromagnetic waves EM' reflected from the material are detected by a detection unit 45 in a step S120.
  • a processing unit 50 determines biological and/or physical parameters 15 of the biological material 30 from at least one of the electromagnetic waves EM and the returning electromagnetic waves EM'.
  • the physical parameters can be, for example, the impedance Z and the specific absorption rate.

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Abstract

Eine Messvorrichtung für eine Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern mit Hilfe eines Applikators wird beschrieben. Die Messvorrichtung umfasst den Applikator, der eingerichtet ist, um von einer Signalquelle erzeugte elektromagnetische Wellen auf ein biologisches Material aufzubringen. Die Messvorrichtung umfasst weiter eine Detektionseinheit, die eingerichtet ist, um die elektromagnetischen Wellen sowie durch Reflektion an dem biologischen Material am Applikator rücklaufende elektromagnetische Wellen zu erfassen. Die Messvorrichtung umfasst weiter eine Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um aus mindestens einer von den elektromagnetischen Wellen und den rücklaufenden elektromagnetischen Wellen die biologischen und/oder physikalischen Parameter zu bestimmen.

Description

Beschreibung
Titel: MESSVORRICHTUNG FÜR DIE DETEKTION VON BIOLOGISCHEN UND/ODER PHYSIKALISCHEN PARAMETERN MIT HILFE EINES APPLIKATORS
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
[0001] Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 21. Dezember 2022 eingereichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2022 134 363.4.
Technisches Gebiet der Erfindung
[0002] Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern mit Hilfe eines Applikators sowie ein Therapiesystem zur Exposition eines biologischen Materials eines Säugers mit elektromagnetischen Wellen und ein Therapieverfahren für eine Behandlung von Tumoren.
Hintergrund der Erfindung
[0003] Neben bekannten thermischen Effekten hochfrequenter elektromagnetischer Felder (EMF) bzw. elektromagnetischer Wellen bzw. elektromagnetischer Strahlung wird seit lahrzehnten vermutet, dass EMF zudem biologische Wirkungen in biologischem Material auslösen können, die nicht durch eine Temperaturerhöhung im jeweiligen biologischen Material hervorgerufen werden. Nach diesen sog. nicht-temperaturinduzierten Effekten wurde in jahrzehntelanger Forschung gesucht. Ein nicht-temperaturinduzierter Effekt gilt dabei als nachgewiesen, wenn die EMF bei sonst identischen Bedingungen einen höheren zytotoxischen Effekt an Zellen verursachen als eine Wasserbadhyperthermie gleicher oder höherer Temperatur. Konstante und homogene Temperaturen im biologischen Material sind für den experimentellen Nachweis nicht-temperaturinduzierter Effekte unerlässlich. Temperaturinhomogenitäten wie lokale Temperaturspitzen, sog. Hot Spots, müssen experimentell ausgeschlossen werden.
[0004] Inzwischen ist der experimentelle Nachweis der Existenz von nichttemperaturinduzierten Effekten bei Temperaturen von 40-42°C an Zellsuspensionen und Experimentaltumoren unter Verwendung des kommerziellen Systems LabEHY-200 gelungen. Ein neuartiger Applikator erlaubte dabei die getrennte Einstellung von EMF -Pegel und Temperatur des biologischen Materials mittels allseitiger Wasserdurchfluss-Kühlung. [0005] Die Untersuchungen zeigten, dass mit einer harmonischen Radiofrequenz bzw. Trägerfrequenz der EMF von 13,56 MHz in mehreren Tumorzelllinien eine höhere Zytotoxizität erreicht werden kann, z.B. mit den biologischen Endpunkten Clonogenität oder Apoptose. Physikalische Messungen legten nahe, dass diese höhere biologische Wirksamkeit mit einer um 20% höheren Energieabsorption in den Zellen einhergeht, verglichen mit dem alleinigen Medium.
[0006] Die zusätzliche Anwendung von Amplitudenmodulation der EMF zeigte weiter erhöhte zytotoxische Effekte. Genauere Untersuchungen mit konstanten Parametern der Amplitudenmodulation zeigten bei einer Art von Tumorzellen eine signifikante Verstärkung der Apoptose, wohingegen bei anderen Arten von Tumorzellen keine erhöhten zytotoxischen Effekte festgestellt werden konnten. Es wird vermutet, dass durch veränderte Parameter der Amplitudenmodulation auch für die anderen Tumorzellen erhöhte Apoptoseraten erreicht werden können. Dies legt den Schluss nahe, dass je nach Art der Tumorzellen mit unterschiedlichen Parametern für die Amplitudenmodulation der EMF erhöhte zytotoxische Effekte erzielt werden können.
[0007] Es konnten zudem Unterschiede der Steifigkeit der Zellmembran bzw. des Young- Modul bei verschiedenen Tumorzellen im Vergleich zu gesunden Zellen gezeigt werden (Wust, P.; Veltsista, P.D.; Oberacker, E.; Yavvari, P.; Walther, W.; Bengtsson, O.; Sterner- Kock, A.; Weinhart, M.; Heyd, F.; Grabowski, P.; Stintzing, S.; Heinrich, W.; Stein, U.; Ghadjar, P. Radiofrequency Electromagnetic Fields Cause Non-Temperature-Induced Physical and Biological Effects in Cancer Cells. Cancers 2022, 14, 5349.). Dies führt zu unterschiedlichen mechanischen Resonanzfrequenzen der Zellwände der Tumorzellen. Je nach Resonanzfrequenz der Zellwände ergibt sich eine geeignete Modulationsfrequenz bzw. Frequenz für die Amplitudenmodulation der EMF, mit welcher erhöhte zytotoxische Effekte erzielt werden können.
[0008] Auch die für eine Erhöhung der zytotoxischen Effekte bestgeeignete Trägerfrequenz der EMF ist gegenwärtig nicht bekannt. Die Trägerfrequenz von 13,56 MHz ist eine zugelassene Frequenz, die überwiegend aus praktischen Gründen gewählt wurde. Die experimentell bestätigten nicht-temperaturinduzierten Effekte wurden durch Prozesse an lonenkanälen und Proteinwechselwirkungen (Delta-Dispersion) erklärt. Die Delta- Dispersion führt zu einer Anhebung der dielektrischen Konstante sr auf einige Hundert gegenüber den klinisch gebräuchlichen EMF Frequenzen in der Hyperthermie von 70-100 MHz (sog. Annul ar-Phased- Array Technik). Hier beträgt sr etwa 80 und entspricht dem sr des Extrazellulärraums. Wechselwirkungen mit Zellbestandteilen finden im Frequenzbereich oberhalb 70 MHz vermutlich nicht mehr statt. Es ist eher unwahrscheinlich, dass ausgerechnet die Trägerfrequenz von 13,56 MHz zu den höchsten nichttemperaturinduzierten Effekten führt. Eine weitere Absenkung der Trägerfrequenz bis in den Bereich MHz würde zu sr von einigen 1000 führen, was die Wechselwirkungen mit der Zellmembran erhöht.
[0009] Im Allgemeinen weisen die Zellmembranen von Tumorzellen einen geringeren Young-Modul auf als Normalgewebszellen. Zudem scheint der Young-Modul der Zellmembranen von Tumorzellen umso niedriger zu sein, je aggressiver diese sind. Weiter zeigt sich eine Korrelation zwischen dem Young-Modul der Tumorzellen und deren Temperatur. Der Young-Modul zeigt gerade bei Tumorzellen eine ungewöhnlich hohe Abhängigkeit von der Temperatur und fällt bei 41°C auf wenige Hundert Pa ab.
[0010] Der Nachweis von durch die Amplitudenmodulation der EMF verstärkten nichttemperaturinduzierten Effekten wirft grundsätzliche Fragen nach dem Einfluss der Trägerfrequenz der EMF, der Temperatur sowie der Parameter der Amplitudenmodulation auf die Ausprägung der nicht-temperaturinduzierten Effekte auf.
[0011] Die zuvor beschriebenen Untersuchungsergebnisse legen den Schluss nahe, dass sich die bestgeeignete Frequenz der Amplitudenmodulation zur Erzielung eines additiven (nicht-temperaturinduzierten) zytotoxischen Effektes bei verschiedenen Tumorzellarten und Tumoren unterscheidet. Allerdings scheint hier die Temperatur des biologischen Materials eine wichtige Ko-Variable zu sein, wie die starke Temperaturabhängigkeit des Young- Modul der Zellmembranen nahelegt. Es wird somit vermutet, dass für unterschiedliche Tumorzellen mit einer jeweils geeigneten Kombination von Trägerfrequenz der EMF, Leistung der EMF und Parameter der Amplitudenmodulation der EMF erhöhte zytotoxische Effekte erzielt werden können. Die eingestellte bzw. erzielte Temperatur des biologischen Materials scheint eine weitere wichtige Variable zu sein.
[0012] Untersuchungen in diesem vierdimensionalen Parameterraum (Trägerfrequenz, Leistung, Parameter der Amplitudenmodulation (Modulationsfrequenz und Modulationsindex), Temperatur des biologischen Materials) zur Bestimmung der für spezifische Tumorzellen geeigneten Parameter, ggf. mit einer anschließenden Therapie von Patienten unter Verwendung der ermittelten geeigneten Parameter, sind mit der verfügbaren Technologie nicht möglich. Die derzeitigen technischen Einschränkungen hinsichtlich Variation der genannten Parameter sind erheblich und selbst in den eingeschränkten Bereichen zeitaufwendig.
[0013] Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 043984 Al beschreibt eine lösbare, mit einem elektrischen Feld gekoppelte Elektrode zur Übertragung von Energie und deren Verwendung mit einer ein elektrisches Feld aufweisenden Hyperthermievorrichtung. Die lösbare Elektrode ermöglicht eine einfache und effektive Verbindung der Elektrode mit und Lösung der Elektrode von einer ein elektrisches Feld aufweisenden Hyperthermievorrichtung.
[0014] Die Veröffentlichung Wust, P.; Veltsista, P.D.; Oberacker, E.; Yavvari, P.; Walther, W.; Bengtsson, O.; Sterner-Kock, A.; Weinhart, M.; Heyd, F.; Grabowski, P.; Stintzing, S.; Heinrich, W.; Stein, LT.; Ghadjar, P. Radiofrequency Electromagnetic Fields Cause Non- Temperature-Induced Physical and Biological Effects in Cancer Cells. Cancers 2022, 14, 5349 beschreibt nicht-temperaturinduzierte Effekte in Krebszellen bei Behandlung mit elektromagnetischen Feldern. Die nicht-temperaturinduzierten Effekte können durch Amplitudenmodulation gesteigert werden.
[0015] Die Veröffentlichungen Wust P., Stein LT., Ghadjar P. Non-thermal membrane effects of electromagnetic fields and therapeutic applications in oncology. Int J Hyperthermia 2021, 38(1), 715-731 und Wust P., Kortüm B., Strauss U., et al. Non-thermal effects of radiofrequency electromagnetic fields. Scientific Rep 2020, 10: 13488 beschreiben Membraneffekte der EMF an Zellmembranen / lonenkanälen, welche unterschiedlich auf Krebszellen und gesunden Zellen exprimiert sind (Channelom). Nicht-temperaturinduzierte Effekte werden beschrieben sowie ein auf lonenkanälen in der Zellmembran basierendes Erklärungsmodell entwickelt. Gesunde Zellen und Krebszellen haben unterschiedliche lonenkanalexpressionen (Channelom). Dies führt auch zu einem unterschiedlichen Ruhemembranpotential. Darauf und auf den vorbeschriebenen Unterschieden des Young- Moduls basiert die Annahme, dass die vorgeschlagene Therapie gemäß der vorliegenden Erfindung das Potential hat „krebszellspezifisch“ behandeln zu können.
[0016] Die europäische Patentanmeldung EP 0 430 340 A2 beschreibt eine nichtinvasive Oximeteranordnung mit einem klammerartigen Sensor für beispielsweise einen Finger, einer selbstkalibrierenden Steuereinheit zur Erfassung und Verarbeitung von zwei elektromagnetischen Wellen vorbestimmter Wellenlänge und einer zwischengeschalteten Übertragungsstrecke zum Einsatz in stark elektromagnetisch beeinflusster Umgebung, bei gleichzeitiger Beseitigung von Stör- und Fehlerquellen, wie Bewegungsfehler, Koppelfaktoren des Sensors am Finger, etc.. Die Steuereinheit weist darüber hinaus einen Sender (LED), einen Empfänger und eine Recheneinheit zur Ermittlung des Sauer stoffgehalts des Blutes aus der relativen Größe des pulsschlagabhängigen Modulationsgrades der vom Finger reflektierten zuvor unterschiedlich kodierten, den spektralen Fenstern der Übertragungsstrecke entsprechenden elektromagnetischen Wellen auf. Eine erste elektromagnetische Welle von 660nm und eine zweite Wellenlänge von ca. 780 nm bis ca. 850 werden eingesetzt. Bei den beiden vom Empfänger empfangenen elektromagnetischen Wellen handelt es sich jeweils um vom Finger reflektierte elektromagnetische Wellen, welche jeweils vom Sender separat emittiert wurden.
Zusammenfassung der Erfindung
[0017] Die elektromagnetischen Felder (EMF) bzw. elektromagnetischen Wellen bzw. elektromagnetische Strahlung werden mittels eines elektrischen Schwingkreises bzw. LC- Schwingkreiseses bzw. Resonanzkreises erzeugt, welcher neben mindestens einer Induktivität wie z.B. einer Spule auch eine oder mehrere Kapazitäten wie z.B. Kondensatoren umfasst. In einem elektrischen Schwingkreis erfolgt ein periodischer Austausch von Energie zwischen einem magnetischen Feld der Induktivität und einem elektrischen Feld der Kapazität. Hierdurch treten abwechselnd hohe Stromstärke oder hohe Spannung auf. Die Trägerfrequenz der elektromagnetischen Wellen entspricht der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises, welche u.a. durch die Kapazität des/der Kondensators/en, die Induktivität der Spule(n) und einen Verlustwiderstand im elektrischen Schwingkreis charakterisiert oder beschrieben wird. Bei Exposition oder Behandlung des biologischen Materials (z.B. Gewebe wie Tumorzellen) mit den elektromagnetischen Wellen einer gewünschten Trägerfrequenz kommt es zu einer Leistungsabsorption durch das biologische Material. Die Leistungsabsorption stellt einen weiteren, variablen Verlustwiderstand im elektrischen Schwingkreis dar. Bei einer Änderung der Leistungsabsorption kann die Abstimmung des elektrischen Schwingkreises auf die gewünschte Trägerfrequenz durch Änderung der Kapazität des/der Kondensators/en und/oder der Induktivität der Spule(n) gewährleistet werden.
[0018] Insbesondere beim Hinzuschalten einer Amplitudenmodulation der elektromagnetischen Wellen sowie bei einer Änderung des behandelten biologischen Materials konnte eine statistisch signifikante Änderung der Leistungsabsorption beobachtet werden. Dies erfordert ein Re-Tuning des elektrischen Schwingkreises durch Anpassung der Kapazität des/der Kondensators/en. Eine erhöhte Änderung der Leistungsabsorption beim Hinzuschalten der Amplitudenmodulation deutet auf eine höhere biologische Wirksamkeit, also erhöhte zytotoxische Effekte im behandelten biologischen Material hin. Die erhöhte Leistungsabsorption in diesem Fall bedingt eine stärkere Anpassung der Kapazität des/der Kondensators/en.
[0019] Es konnten Änderungen von Re-Tuning-Parametern des elektrischen Schwingkreises als Indikator für Impedanzunterschiede als Indikator für die biologische Wirksamkeit der Exposition mit den elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von der Art des biologischen Materials (z.B. Art der Tumorzellen) gezeigt werden.
[0020] Es wird angenommen, dass die sinnvolle Veränderung der Parameter der Amplitudenmodulation (Frequenz und Modulationsindex) die nicht-temperaturinduzierten Effekte verstärkt und somit auch zu stärkeren Änderungen der Impedanz führt.
[0021] Im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Anwendungen der Impedanzmessung z.B. der „Bioelektrische Impedanzmessung“ geht es bei der vorliegenden Erfindung um gezielte Veränderung im vierdimensionalen Parameterraum. Die Veränderung der Parameter führt zu erhöhten nicht-temperaturinduzierten Effekten, die in der Therapie ausgenutzt werden sollen.
[0022] Zugrunde liegt der vermutete „mode of action“ mit Demodulation an der Zellmembran, Auswirkung auf lonenkanäle (Channelom) und Resonanzeffekte an der Zellmembran (Young Modul).
[0023] Die Änderungen der Impedanz des elektrischen Schwingkreises werden durch die zur Gewährleistung der gewünschten Trägerfrequenz der elektromagnetischen Wellen nötigen Kapazitäts-Änderungen des/der Kondensators/en des elektrischen Schwingkreises repräsentiert.
[0024] Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die Messung der Impedanz und weiterer biologischer und/oder physikalischer Parameter des biologischen Materials bei der Behandlung mit den elektromagnetischen Wellen unter Variation von Parametern wie der Trägerfrequenz und Leistung der elektromagnetischen Wellen, der Parameter der Amplitudenmodulation und der Temperatur des biologischen Materials zu ermöglichen. Die Parameter werden in kurzer zeitlicher Abfolge variiert und dabei die Impedanz entweder in Echtzeit oder im Nachhinein beobachtet. Somit sollen geeignete Parameterkombinationen identifiziert werden, die eine Maximierung der nicht-temperaturinduzierten Effekte und damit der biologischen Effektivität und damit der zytotoxischen Effekte im biologischen Material bewirken. Die identifizierten Parameterkombinationen können anschließen therapeutisch genutzt werden. Es wird vermutet, dass eine veränderte zeitliche Abfolge der Parameter wie der Trägerfrequenz und Leistung der elektromagnetischen Wellen sowie der Parameter der Amplitudenmodulation, beispielsweise mittels einer gepulsten Trägerwelle der elektromagnetischen Wellen, die nicht-temperaturinduzierten Effekte bzw. die Wirksamkeit weiter erhöhen kann.
[0025] Diese technische Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern mit Hilfe eines Applikators sowie ein Therapiesystem zur Exposition eines biologischen Materials eines Säugers mit elektromagnetischen Wellen und ein Therapieverfahren für eine Behandlung onkologischer Tumore gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst.
[0026] Die Messvorrichtung für eine Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern mit Hilfe eines Applikators umfasst den Applikator, der eingerichtet ist, um von einer Signalquelle erzeugte elektromagnetische Wellen auf ein biologisches Material aufzubringen. Die Messvorrichtung umfasst weiter eine Detektionseinheit, die eingerichtet ist, um die von der Signalquelle erzeugten elektromagnetischen Wellen sowie durch Reflektion an dem biologischen Material am Applikator rücklaufende elektromagnetische Wellen zu erfassen und eine Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um aus mindestens einer von den elektromagnetischen Wellen und den rücklaufenden elektromagnetischen Wellen die biologischen und/oder physikalischen Parameter zu bestimmen.
[0027] Die Messvorrichtung kann weiter die Signalquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen umfassen.
[0028] Der Applikator kann mit der Signalquelle in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet sein und der Applikator kann austauschbar sein. [0029] Die Messvorrichtung kann weiter eine Regeleinheit umfassen, wobei die Regeleinheit mit dem Applikator und der Signalquelle in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet ist.
[0030] Der Applikator kann eine Elektrode sowie eine Gegenelektrode umfassen oder der Applikator kann eine Elektrode umfassen, welche als Gegenelektrode zu einer in einem Behandlungstisch integrierten Elektrode dient.
[0031] Die Detektionseinheit kann mindestens eines von einem Netzwerkanalysator, Oszilloskop und Analog-Digital-Wandler umfassen.
[0032] Die Messvorrichtung kann weiter einen dualdirektionalen oder zwei aneinander gereihte bidirektionale oder zwei aneinandergereihte direktionale Koppler umfassen, der/die eingerichtet ist/sind, um die elektromagnetischen Wellen von der Signalquelle anteilig an den Applikator und die Detektionseinheit zu übertragen.
[0033] Der Koppler kann weiter eingerichtet sein, um die rücklaufenden elektromagnetischen Wellen an die Detektionseinheit zu übertragen.
[0034] Die elektromagnetischen Wellen können eine einstellbare Leistung, eine einstellbare Trägerfrequenz und/oder eine einstellbare Amplitudenmodulation aufweisen und die Amplitudenmodulation kann eine Frequenz und einen Modulationsindex aufweisen. [0035] Die Detektionseinheit kann zusammen mit der Verarbeitungseinheit weiter eingerichtet sein, um eine Impedanz zu ermitteln.
[0036] Die Messvorrichtung kann weiter eine Temperatureinheit umfassen, die eingerichtet ist, um eine Temperatur des biologischen Materials zu ermitteln.
[0037] Die Temperatureinheit kann eingerichtet sein, um in einem Regelkreis mit einem Temperatursystem zur Regelung der Temperatur des biologischen Materials betrieben zu werden.
[0038] Weiter ist das Therapiesystem zur Exposition eines biologischen Materials eines Säugers mit elektromagnetischen Wellen beschrieben. Das Therapiesystem umfasst eine Signalquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen, eine Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und den für die Behandlung von Menschen und/oder Tieren geeigneten Behandlungstisch mit der integrierten Elektrode. Die Signalquelle, der Applikator der Messvorrichtung sowie die integrierte Elektrode sind in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet. [0039] Die Messvorrichtung kann als Applikator mindestens einen von unterschiedlichen Applikatoren für präklinische in vitro und in vivo Behandlung sowie klinische Behandlung von Patienten austauschbar betreiben.
[0040] Weiter ist das Messverfahren zur Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern mit Hilfe eines Applikators beschrieben. Das Messverfahren umfasst die Schritte Erzeugen elektromagnetischer Wellen mit einer Signal quelle, wobei die elektromagnetische Wellen eine Trägerfrequenz und eine Amplitudenmodulation aufweisen, und Aufbringen der erzeugten elektromagnetischen Wellen auf ein biologisches Material mit dem Applikator. Das Verfahren umfasst weiter die Schritte Erfassen der von dem biologischen Material reflektierten elektromagnetischen Wellen mit der Detektionseinheit und Bestimmen der biologischen und/oder physikalischen Parameter mit der Verarbeitungseinheit, wobei das Bestimmen aus mindestens einer von der erzeugten elektromagnetischen Wellen und der reflektierten elektromagnetischen Wellen erfolgt.
[0041] Es wird weiter die Verwendung der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder des Messverfahrens für eine Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern von einem biologischen Material gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die Verwendung ausschließlich für diagnostische Zwecke erfolgt.
[0042] Weiter wird das Therapieverfahren für eine Behandlung onkologischer Tumore unter Verwendung einer Messvorrichtung, einem Therapiesystem und/oder einem Messverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Beschreibung der Figuren
[0043] Fig. 1 zeigt Blockschaltbild einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
[0044] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Aspekts der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
[0045] Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Aspekts der Messvorrichtung sowie ein Therapiesystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
[0046] Fig. 4 zeigt ein Prozessablauf-Diagramm eines Messverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0047] Die Erfindung wird nun auf der Grundlage der Zeichnungen beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung nur Beispiele sind und den Schutzumfang der Ansprüche in keiner Weise einschränken. Die Erfindung wird durch die Ansprüche und deren Äquivalente definiert. Es wird davon ausgegangen, dass Merkmale eines Aspekts oder einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Merkmal eines anderen Aspekts oder anderer Aspekte und/oder Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden können.
[0048] Fig. 1 zeigt Blockschaltbild einer Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Messvorrichtung 10 umfasst einen Applikator 20, mithilfe dessen elektromagnetische Wellen EM auf ein biologisches Material 30 aufgebracht werden können. Das biologische Material 30 kann beispielsweise Gewebe wie beispielsweise Gewebe eines Säugers und wie beispielsweise Tumorzellen sein. Das biologische Material 30 weist biologische sowie physikalische Parameter 15 auf. Beispiele für die biophysikalischen Parameter sind die lonenkanalexpression (Channelom), die Expression von Proteinen/Lipiden in der Zellmembran und die Zellmembranelastizität (Young-Modul), wobei auch andere biophysikalische Parameter möglich sind. Der Applikator 20 kann unterschiedliche Bauformen aufweisen, von denen zwei Bauformen in Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben werden.
[0049] Die vom Applikator 20 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen EM treffen auf das biologische Material 30 und werden von diesem als rücklaufende elektromagnetische Wellen EM‘ reflektiert. Der Applikator 20 und das biologische Material 30 können so zueinander ausgerichtet werden, dass das biologische Material 30 den vom Applikator 20 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen EM ausgesetzt ist und, dass die vom biologischen Material 30 reflektierten, rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘ wiederum auf den Applikator 20 treffen, sodass der Applikator 20 die rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘ aufnehmen kann.
[0050] Der Applikator 20 ist mit einer Signal quelle 35 in einem elektrischen Schwingkreis bzw. LC-Schwingkreis bzw. Resonanzkreis angeordnet. Die Signal quelle 35 kann separat von der Messvorrichtung 10 ausgeführt sein und an die Messvorrichtung 10 angeschlossen werden. Alternativ kann die Signal quelle 35 in die Messvorrichtung 10 integriert sein. Der Applikator 20 stellt eine Kapazität in dem elektrischen Schwingkreis dar. Die Kapazität des Applikators 20 wird von der Ausgestaltung des Applikators sowie von dem biologischen
Material 30 beeinflusst (dies wird mit Fig. 2 und Fig. 3 näher beschrieben).
[0051] Die Signal quelle 35 umfasst eine Induktivität wie beispielsweise eine Spule, die für die Realisierung des elektrischen Schwingkreises notwendig ist. Die Induktivität kann einstellbar gestaltet sein. Die Signal quelle 35 umfasst weiter mindestens eine weitere einstellbare Kapazität wie beispielsweise einen Kondensator mit einstellbarer Kapazität sowie einen Funktionsgenerator wie beispielsweise einen Arbiträrgenerator zum Erzeugen beliebiger periodischer elektrischer Signale. Die Induktivität, die einstellbare Kapazität und der Funktionsgenerator der Signal quelle 35 sind mit dem Applikator 20 so elektrisch leitend verbunden, dass sie den elektrischen Schwingkreis bilden.
[0052] Die einstellbare Kapazität und die Induktivität können alternativ auch nicht von der Signal quelle 35 umfasst sein, sondern gesondert in der Messvorrichtung 10 bereitgestellt sein. Beispielsweise können die einstellbare Kapazität und die Induktivität in einer separaten Regel einheit 37 bereitgestellt sein. Die Messvorrichtung 10 umfasst in diesem Fall auch die Regeleinheit 37. Die Regeleinheit 37 ist mit der Signalquelle 35 und dem Applikator 20 zu dem elektrischen Schwingkreis verschaltet und kann auch mehr als eine einstellbare Kapazität und eine einstellbare Induktivität umfassen. Die Regeleinheit 37 kann alternativ auch separat von der Messvorrichtung 10 und der Signal quelle 35 bereitgestellt sein und mit der Messvorrichtung 10 und der Signal quelle 35 zu dem elektrischen Schwingkreis verschaltet sein.
[0053] Die einstellbare Kapazität und die Induktivität sowie der Applikator sind in Reihe geschaltet, wodurch der elektrische Schwingkreis ein Reihenschwingkreis ist. Die Messvorrichtung 10 kann alternativ auch mit einem Parallelschwingkreis realisiert werden. [0054] Einzelne oder mehrere zuvor beschriebene Bestandteile der Signal quelle 35 können alternativ auch in der Messvorrichtung integriert sein, solange die genannten Komponenten zu dem elektrischen Schwingkreis verschaltet sind.
[0055] Der elektrische Schwingkreis besitzt eine Resonanzfrequenz, bei welcher ein periodischer Austausch von Energie zwischen einem magnetischen Feld der Induktivitäten und einem elektrischen Feld der Kapazitäten stattfindet. Die Resonanzfrequenz ergibt sich aus den enthaltenen Induktivitäten und Kapazitäten. Aufgrund der Dämpfung durch Verluste (wie beispielsweise ohmsche Verluste in den verwendeten Bauteilen und Leitungen) würde die Amplitude der Schwingung des elektrischen Schwingkreises im Laufe der Zeit abnehmen. Dies kann durch regelmäßiges Zuführen von Energie in den elektrischen
Schwingkreis verhindert werden.
[0056] Der Funktionsgenerator dient der Anregung des elektrischen Schwingkreises durch regelmäßige Zufuhr von Energie. Somit kann der elektrische Schwingkreis kontinuierlich mit seiner Resonanzfrequenz schwingen. Wie im Folgenden beschrieben, ist eine variable Einstellung der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises erwünscht. Der Funktionsgenerator kann deshalb den elektrischen Schwingkreis mit der jeweils gewünschten Resonanzfrequenz anregen. Zudem kann mittels des Funktionsgenerators eine Leistung P der elektromagnetischen Wellen EM variiert werden.
[0057] Eine Trägerfrequenz RF der elektromagnetischen Wellen EM, die mittels des Applikators 20 auf das biologische Material 30 aufgebracht werden, entspricht der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises. Um die Trägerfrequenz RF bei der Exposition des biologischen Materials 30 zu variieren, ist somit eine Variation der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises notwendig. Hierzu ist eine Abstimmung aller zu dem elektrischen Schwingkreis verschalteten Komponenten aufeinander notwendig. Die (einstellbare) Induktivität(en) und die (einstellbaren) Kapazität(en) der Signal quelle 35 bzw. der Messvorrichtung 10 bzw. der Regel einheit 37 sowie die Kapazität des Applikators 20 müssen so aufeinander abgestimmt werden, damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises der gewünschten Trägerfrequenz RF entspricht. Dabei muss die Beziehung RF = (1/2TT) (LC)'1/2 erfüllt sein, wobei L die Induktivität(en) und C die Kapazitäten (der Signal quelle 35 und des Applikators 20) sind.
[0058] Die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises kann somit durch gezielte Variation der Kapazität(en) und Induktivität(en) der zu dem elektrischen Schwingkreis verschalteten Komponenten eingestellt werden. Dafür kann beispielsweise die Induktivität und/oder die Kapazität einstellbar ausgestaltet sein. Die Induktivität kann beispielsweise als Spule mit einem ferromagnetischen Kern ausgeführt werden, wobei der ferromagnetische Kern mit variabler Länge in die Spule eingeschoben sein kann. Hierdurch kann die Induktivität der Spule eingestellt werden. Die Kapazität kann beispielsweise durch Verwendung eines Kondensators mit veränderlichem PI attenab stand oder eines Kondensator mit veränderlichem Anteil der gegenüberliegenden Flächen einstellbar gestaltet werden.
[0059] Durch Erfassen der elektromagnetischen Wellen EM und der rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘ und Bestimmen derer Differenz kann/können die Kapazität(en) und Induktivität(en) nachjustiert werden, um die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises auf einen gewünschten Wert zu regeln. Diese Regelung kann durch die separate Regeleinheit 37 durchgeführt werden, die die einstellbare Kapazität(en) und Induktivität(en) umfasst. Alternativ kann diese Regelung auch von der Signal quelle 35 durchgeführt werden, sofern die Signal quelle 35 die einstellbare Kapazität(en) und Induktivität(en) umfasst.
[0060] Der Funktionsgenerator kann zudem die Amplitude der Schwingung des elektrischen Schwingkreises mit variabler Frequenz und variablem Modulationsindex modulieren und somit eine Amplitudenmodulation AM realisieren. Beispiele für mögliche Parameterbereiche der Amplitudenmodulation AM die mit dem Funktionsgenerator eingestellt werden können, sind für die Frequenz 1 Hz - 1 MHz und für den Modulationsindex 10 - 100%. Die Ausgangsleistung des Funktionsgenerators ist variabel und ausreichend hoch gewählt, um im Applikator 20 einen ausreichend hohen Pegel zu erreichen.
[0061] Die Einsteilbarkeit der Kapazität(en) der Signal quelle 35 dient zudem der Aufrechterhaltung der gewünschten Resonanzfrequenz bei erhöhtem Verlustwiderstand des elektrischen Schwingkreises, da die Resonanzfrequenz eines realen Schwingkreises auch vom Verlustwiderstand beeinflusst wird. Ein erhöhter Verlustwiderstand tritt bei einer Änderung der Leistungsabsorption durch das biologische Material 30 auf, wobei insbesondere beim Hinzuschalten der Amplitudenmodulation AM eine erhöhte Leistungsabsorption durch das biologische Material 30 und somit eine Änderung der Leistungsabsorption beobachtet werden kann. Durch eine Anpassung der einstellbaren Kapazität(en) der Signal quelle 35 kann somit auch bei einer Änderung der Leistungsabsorption durch das biologische Material 30 die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises stabil auf dem gewünschten Wert gehalten werden.
[0062] Die Messvorrichtung 10 umfasst weiter einen dualdirektionalen oder zwei bidirektionale oder zwei direktionale Koppler 40. Der Koppler 40 ist eingerichtet, um die elektromagnetischen Wellen EM aus dem elektrischen Schwingkreis anteilig an den Applikator 20 sowie an eine Detektionseinheit 45 der Messvorrichtung 10 zu übertragen. Das Übertragungsverhältnis der an den Applikator 20 und der an die Detektionseinheit 45 übertragenen elektromagnetischen Wellen EM ist variabel. Der Koppler 40 überträgt zudem die vom biologischen Material 30 und vom Applikator 20 reflektierten rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘ an die Detektionseinheit 45.
[0063] Die Messvorrichtung 10 umfasst weiter die Detektionseinheit 45. Die Detektionseinheit 45 erfasst die elektromagnetischen Wellen EM sowie die rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘, welche der Detektionseinheit 45 über den Koppler 40 zugeführt werden. Die Detektionseinheit 45 und die Signalquelle können alternativ als eine Einheit ausgeführt sein.
[0064] Die Messvorrichtung 10 umfasst weiter eine Verarbeitungseinheit 50 wie beispielsweise einen Netzwerkanalysator. Die Verarbeitungseinheit 50 analysiert die von der Detektionseinheit 45 erfassten elektromagnetischen Wellen EM und rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘. Die Verarbeitungseinheit 50 ermittelt beispielsweise die Impedanz Z des elektrischen Schwingkreises in Phase 0 und Amplitude |Z| zu Z =|Z| exp(+j0).
[0065] Die Signal quelle 35, der Koppler 40, die Detektionseinheit 45 und/oder die Verarbeitungseinheit 50 können alternativ auch einzeln oder in beliebigen Kombinationen als von der Messvorrichtung 10 separate Komponenten ausgeführt und mit der Messvorrichtung verbindbar sein.
[0066] Die Temperatur des biologischen Materials 30 kann mittels einer Temperatureinheit 55 ermittelt werden. Die Temperatureinheit 55 kann beispielsweise als Temperatursensor ausgestaltet sein, der im oder an dem biologischen Material 30 angeordnet werden kann. Die Temperatureinheit 55 ist mit einem Temperatursystem 58 verbunden. Das Temperatursystem 58 kann die Temperatur des biologischen Materials 30 in einem gewünschten Temperaturintervall halten, auch bei erhöhtem Energieeintrag in das biologische Material 30 durch Aufbringen der elektromagnetischen Wellen EM auf das biologische Material 30. Das Temperatursystem 58 nutzt die von der Temperatureinheit 55 ermittelte Temperatur des biologischen Materials 30 für eine Temperaturregelung.
[0067] Das Temperatursystem 58 kann die Temperatur des biologischen Materials erhöhen und/oder reduzieren. Das Temperatursystem 58 kommt insbesondere mit dem für in vitro Untersuchungen geeigneten Applikator 20 gemäß dem ersten Aspekt zum Einsatz. Im Falle des für in vivo Untersuchungen bzw. Behandlungen geeigneten Applikators 20 gemäß dem zweiten Aspekt kann die Temperaturregelung des biologischen Materials durch das Lebewesen selbst erfolgen. Alternativ kann die Temperatur des biologischen Materials 30 des Lebewesens bei in vivo Untersuchungen bzw. Behandlungen auch durch andere Mittel bewirkt werden, wie beispielsweise durch Ventilatoren und/oder Kühl -/Wärmepads.
[0068] Das Temperatursystem 58 kann beispielsweise als Durchfluss- Temperatursystem ausgestaltet sein. Dabei wird das biologische Material allseitig von einem Wärmeübertragungsmedium wie beispielswiese einem Kühlmittel umströmt, welches der Ab- bzw. Zufuhr von thermischer Energie von bzw. in das biologische Material 30 dient.
[0069] Die Messvorrichtung 10 erlaubt eine anwenderfreundliche Prüfung der Parameter Trägerfrequenz RF, Frequenz sowie Modulationsindex der Amplitudenmodulation AM sowie der Temperatur des biologischen Materials 30 (als Co-Variable) im Hinblick auf nicht-temperaturinduzierte zytotoxische Effekte im biologischen Material. Für den Fall eines präklinischen Einsatzes sind die biologischen Endpunkte (Apoptose, Clonogenität usw.) frei wählbar. Dabei ist jeweils ein Vergleich mit einer (konventionellen) Wasserbad- Hyperthermie bei der gewählten Temperatur (beispielsweise 37 - 42 °C) unter sonst identischen Bedingungen erforderlich.
[0070] Die Messvorrichtung 10 besteht zudem aus hochfrequenztechnischen Standardkomponenten wie Verstärker ausreichender Bandbreite mit Anpassnetzwerk und wählbarer Amplitudenmodulation, Thermometrie, Wasserdurchfluss-System, Netzwerkanalysatorsystem mit passiven Hochfrequenzkomponenten (im gewünschten Frequenzbereich bis 120 MHz) und Applikatoren (kapazitive Elektroden). Aufgrund des für hochfrequenztechnische Anwendungen eher niedrigen Frequenzbereichs < 120 MHz können die Kosten für die Standardkomponenten niedrig gehalten werden.
[0071] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Aspekts der Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnete Komponenten werden nicht erneut beschrieben. Der Applikator 20 gemäß dem ersten Aspekt besteht aus einer Elektrode 22 und einer Gegenelektrode 24, welche einen Kondensator mit einer Kapazität bilden, welcher Teil des zuvor beschriebenen elektrischen Schwingkreises ist. Die Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 sind so angeordnet, dass das biologische Material 30 zwischen der Elektrode 22 und der Gegenelektrode 24 angeordnet werden kann.
[0072] Der Applikator 20 ermöglicht die Verwendung kommerziell erhältlicher Standardlaborkomponenten im Austausch. Die Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 sind so zueinander angeordnet, dass das biologische Material 30 in einer Petrischale (beispielsweise mit einem Durchmesser von 35mm und einer Höhe von 10mm) zwischen die Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 eingebracht werden kann. Das zwischen die Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 eingebrachte biologische Material 30 kann somit den elektromagnetischen Wellen EM ausgesetzt werden. Der Applikator 20 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eignet sich somit für in vitro Untersuchungen an Zellen.
[0073] Zudem kann das biologische Material 30 allseitig vom Kühlmittel des Temperatursystem 58 umströmt werden, um die gewünschte Temperatur im biologischen Material 30 zu gewährleisten.
[0074] Der Einsatz einer alleinigen Petrischale ist nur ein Beispiel. Für eine zügige Untersuchungsmöglichkeit von eventuell mehreren Zelllinien gleichzeitig können auch Mikrotiter-Platten (ebenfalls Standard-Laborbedarf) zwischen die Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 eingeführt werden.
[0075] Wie zuvor beschrieben beeinflusst die Kapazität des Applikators 20 die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises. Die Kapazität des Applikators 20 wird durch Ausgestaltung und Anordnung der Elektrode 22 und der Gegenelektrode 24 sowie von dem biologischen Material 30 sowie dem Kühlmittel des Temperatursystem 58 beeinflusst. Auch Größe, Form, Volumen sowie Material eines das biologische Material 30 enthaltenden Gefäßes wie beispielsweise der Petrischale oder von Mikrotier-Platten beeinflusst die Kapazität des Applikators 20.
[0076] Im Folgenden ist eine beispielhafte Ausführung der zuvor beschriebenen Komponenten beschrieben. Der Applikator 20 für die in vitro Untersuchung an Zellen unter einer Verwendung von Petrischalen von 35 mm Durchmesser und 10 mm Höhe sowie unter Verwendung einer Wasserdurchflusskühlung kann eine Kapazität von 33 pF aufweisen. Bei einer gewünschten Resonanzfrequenz und damit Trägerfrequenz RF von 13,56 MHz ist eine Induktivität der Signal quelle 35 von 4,2 pH zu wählen. Soll die Trägerfrequenz RF im Bereich von 1 MHz bis 100 MHz variiert werden können, so muss die Induktivität der Signal quelle 35 in einem Bereich von 770 pH bis 0,077 pH variiert werden können. Induktivitäten in diesem Bereich sind kommerziell erhältlich und erlauben die Variation der Trägerfrequenz in Stufen.
[0077] Untersuchungen legen nahe, dass tiefe Trägerfrequenzen RF im Bereich weniger MHz besonders wirksam sind. Daher sollte dieser RF -Bereich mit der Messvorrichtung 10 besonders sorgfältig überprüft werden können. Dafür werden hohe Induktivitäten der Signal quelle 35 von bis zu 1000 pH benötigt. Ein weiterer interessanter Bereich sind hohe Frequenzen von 70 - 100 MHz, mit denen die Hyperthermie unter Einsatz der aufwendigen Annular-Phased-Array-Technik betrieben wird.
[0078] Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Aspekts der Messvorrichtung 10 sowie ein Therapiesystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und Fig. 2 bezeichnete Komponenten werden nicht erneut beschrieben. Der Applikator 20 gemäß dem zweiten Aspekt umfasst lediglich eine Elektrode 22 und keine Gegenelektrode. Die Elektrode 22 ist so ausgestaltet, dass sie in Relation zu einer in einem Behandlungstisch 60 integrierten Elektrode 62 so positioniert werden kann, dass biologisches Material 30 zwischen der Elektrode 22 des Applikators 20 und der integrierten Elektrode 62 des Behandlungstischs 60 platziert werden kann.
[0079] Die Elektrode 22 und die integrierte Elektrode 62 bilden somit einen Kondensator mit einer Kapazität, welcher Teil des zuvor beschriebenen elektrischen Schwingkreises ist. Der elektrische Schwingkreis besteht in diesem Fall somit aus der Signalquelle 35, dem Applikator 20 und der integrierten Elektrode 62 des Behandlungstisches 60. Das biologische Material 30 ist mit dieser Ausgestaltung des Applikators 20 nicht auf Zellproben beschränkt, sodass sich der Applikator 20 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung für in vivo Untersuchungen an Lebewesen, wie beispielsweise Säugetieren, eignet.
[0080] Das Therapiesystem 100 umfasst neben der Messvorrichtung 10 die Signal quelle 35 sowie den Behandlungstisch 60 mit der integrierten Elektrode 62. Der Behandlungstisch 60 ist ausgelegt für die Behandlung eines menschlichen Patienten. Die Signal quelle 35, die Messvorrichtung 10 und der Behandlungstisch 60 sind so elektrisch miteinander verbunden, dass die Elektrode 22 des Applikators 20 der Messvorrichtung 10, die integrierte Elektrode 62 des Behandlungstisches 60 sowie die einstellbare(n) Kapazität(en) und Induktivität(en) sowie der Funktionsgenerator der Signal quelle 35 den elektrischen Schwingkreis bilden.
[0081] Das Therapiesystem 100 kann eingesetzt werden, um die geeigneten Parameter wie Trägerfrequenz RF, Frequenz und Modulationsindex der Amplitudenmodulation AM sowie der Temperatur für die Behandlung des Patienten mit den elektromagnetischen Wellen EM zu bestimmen. Hierdurch kann eine für den jeweiligen Patienten personalisierte Therapie mit optimalen Therapieparametern ermittelt werden. Außerdem kann das Therapiesystem 100 für ebendiese Behandlung eingesetzt werden. Für die Behandlung eines Patienten ist eine höhere Leistung der elektromagnetischen Wellen nötig als für die Bestimmung der optimalen Parameter. Die nötige Leistung kann beispielsweise im Bereich von 100 bis 400 W, in einem weiteren Aspekt im Bereich von 100 bis 200 W liegen. Hierfür müssen die eingesetzten Hochfrequenzkomponenten der Messvorrichtung 10 und der Signal quelle 35 auf die höhere geforderte Leistung dimensioniert werden.
[0082] Die optimalen Therapieparameter für eine personalisierte Therapie können mit der Messvorrichtung 10 des Therapiesystems 100 alternativ beispielsweise in vitro mit kultivierten Tumorzellen unter Verwendung des Applikators 20 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bestimmt werden. Die Behandlung des Patienten mit den bestimmten optimalen Therapieparametem kann im Anschluss mit dem Applikator 20 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erfolgen. Das Therapiesystem 100 kann in diesem Fall sowohl den Applikator 20 gemäß dem ersten Aspekt als auch den Applikator 20 gemäß dem zweiten Aspekt umfassen.
[0083] Das Therapiesystem 100 kann bei entsprechender Dimensionierung seiner Komponenten auch bei veterinärmedizinischen Tumoren eingesetzt werden.
[0084] Für die Behandlung eines Patienten unter Verwendung der zuvor bestimmten optimalen Therapieparameter können nach vorheriger Adaption alternativ auch bereits verfügbare Systeme für onkologische Anwendungen (z.B. EHY-2030) verwendet werden.
[0085] Das beschriebene Therapiesystem 100 ermöglicht eine personalisierte lokoregionale onkologische Therapie. Hierdurch kann die bisherige Standardtherapie in der Onkologie verbessert werden. Als Beispiele seien Lebermetastasen oder Hirnmetastasen in Verbindung mit einer systemischen und/oder Radiotherapie bei zahlreichen Tumorentitäten genannt (gastrointestinale Tumoren, Mammakarzinome, Bronchuskarzinome, Glioblastome etc.).
[0086] Fig. 4 zeigt ein Prozessablauf-Diagramm eines Messverfahrens 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt S100 werden elektromagnetische Wellen EM mittels einer Signal quelle 35 erzeugt. Die Signal quelle 35 ist mit einem Applikator 20 einer Messvorrichtung 10 in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet. Die elektromagnetischen Wellen EM haben einstellbare Parameter wie eine Trägerfrequenz RF sowie eine Frequenz und einen Modulationsindex einer zuschaltbaren Amplitudenmodulation AM.
[0087] In einem Schritt S110 werden die elektromagnetischen Wellen EM mittels des Applikators 20 auf ein biologisches Material 30 aufgebracht. Die an dem biologischen Material reflektierten rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘ werden in einem Schritt S120 von einer Detektionseinheit 45 erfasst. In einem Schritt S130 werden durch eine Verarbeitungseinheit 50 biologische und/oder physikalische Parameter 15 des biologischen Materials 30 aus mindestens einer von den elektromagnetischen Wellen EM und den rücklaufenden elektromagnetischen Wellen EM‘ bestimmt. Bei den physikalischen Parametern kann es sich beispielsweise um die Impedanz Z sowie um die spezifische Absorptionsrate handeln.
Bezugszeichenliste
10 Messvorrichtung
15 Biologische und/oder physikalische Parameter
20 Applikator
22 Elektrode
24 Gegenelektrode
30 Biologisches Material
35 Signal quelle
37 Regel einheit
40 Koppler
45 Detektionseinheit
50 Verarbeitungseinheit
55 Temperatureinheit
58 Temperatursystem
60 Behandlungstisch
62 Integrierte Elektrode
100 Therapiesystem
200 Messverfahren
300 Therapieverfahren
AM Amplitudenmodulation
EM Elektromagnetische Wellen
EM‘ Rücklaufende elektromagnetische Wellen
P Leistung
RF Trägerfrequenz
Z Impedanz
S 100 Erzeugen elektromagnetischer Wellen
S 110 Aufbringen elektromagnetischer Wellen
S120 Erfassen reflektierter elektromagnetischer Wellen
S130 Bestimmen biologischer und/oder physikalischer Parameter

Claims

Ansprüche
1. Messvorrichtung (10) für eine Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern (15) mit Hilfe eines Applikators (20), wobei die Messvorrichtung (10) umfasst: den Applikator (20), eingerichtet, um von einer Signal quelle (35) erzeugte elektromagnetische Wellen (EM) auf ein biologisches Material (30) aufzubringen; eine Detektionseinheit (45), eingerichtet, um die elektromagnetischen Wellen (EM) sowie durch Reflektion an dem biologischen Material (30) am Applikator (20) rücklaufende elektromagnetische Wellen (EM‘) zu erfassen; und eine Verarbeitungseinheit (50), eingerichtet, um aus mindestens einer von den elektromagnetischen Wellen (EM) und den rücklaufenden elektromagnetischen Wellen (EM‘) die biologischen und/oder physikalischen Parameter (15) zu bestimmen.
2. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend die Signalquelle (35) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen (EM).
3. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Applikator (20) mit der Signal quelle (35) in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet ist.
4. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend eine Regeleinheit (37), wobei die Regeleinheit (37) mit dem Applikator (20) und der Signal quelle (35) in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet ist.
5. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Applikator (20) austauschbar ist.
6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Applikator (20) eine Elektrode (22) sowie eine Gegenelektrode (24) umfasst.
7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Applikator (20) eine Elektrode (22) umfasst, welche als Gegenelektrode zu einer in einem Behandlungstisch (60) integrierten Elektrode (62) dient.
8. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Detektionseinheit (45) umfasst mindestens eines von einem Netzwerkanalysator, Oszilloskop und Analog- Digital-Wandler.
9. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter umfassend: einen Koppler (40), eingerichtet, um die elektromagnetischen Wellen (EM) von der Signal quelle (35) anteilig an den Applikator (20) und die Detektionseinheit (45) zu übertragen.
10. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei der Koppler (40) weiter eingerichtet ist, um die rücklaufenden elektromagnetischen Wellen (EM‘) an die Detektionseinheit (45) zu übertragen.
11. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei: die elektromagnetischen Wellen (EM) eine einstellbare Leistung (P), eine einstellbare Trägerfrequenz (RF) und/oder eine einstellbare Amplitudenmodulation (AM) aufweist.
12. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei die einstellbare Amplitudenmodulation (AM) eine Frequenz und einen Modulationsindex aufweist.
13. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welcher: die Detektionseinheit (45) zusammen mit der Verarbeitungseinheit (50) weiter eingerichtet ist, um eine Impedanz (Z) zu ermitteln.
14. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter umfassend: eine Temperatureinheit (55) eingerichtet, um eine Temperatur des biologischen Materials (30) zu ermitteln.
15. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei die Temperatureinheit (55) eingerichtet ist, um in einem Regelkreis mit einem Temperatursystem (58) zur Regelung der Temperatur des biologischen Materials (30) betrieben zu werden.
16. Therapiesystem (100) zur Exposition eines biologischen Materials (30) eines Säugers mit elektromagnetischen Wellen (EM), wobei das Therapiesystem (100) umfasst: eine Signal quelle (35) zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen (EM); eine Messvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14; und einen für die Behandlung von Menschen und/oder Tieren geeigneten Behandlungstisch (60) mit einer integrierten Elektrode (62), wobei die Signal quelle (35), der Applikator (20) der Messvorrichtung (10) sowie die integrierte Elektrode (62) in einem elektrischen Schwingkreis angeordnet sind.
17. Therapiesystem (100) nach Anspruch 16, bei welchem die Messvorrichtung (10) als Applikator (20) mindestens einen von unterschiedlichen Applikatoren für präklinische in vitro und in vivo Behandlung sowie klinische Behandlung von Patienten austauschbar betreiben kann.
18. Messverfahren (200) zur Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern (15) mit Hilfe eines Applikators (20), wobei das Messverfahren (200) umfasst:
Erzeugen (S100) elektromagnetischer Wellen (EM) mit einer Signal quelle (35), wobei die elektromagnetischen Wellen (EM) eine Trägerfrequenz (RF) und eine Amplitudenmodulation (AM) aufweisen;
Aufbringen (S110) der erzeugten elektromagnetischen Wellen (EM) auf ein biologisches Material (30) mit dem Applikator (20);
Erfassen (S120) der von dem biologischen Material (30) reflektierten elektromagnetischen Wellen (EM‘) mit der Detektionseinheit (45);
Bestimmen (S130) der biologischen und/oder physikalischen Parameter (15) mit der Verarbeitungseinheit (50), wobei das Bestimmen (S130) aus mindestens einer von der erzeugten elektromagnetischen Wellen (EM) und der reflektierten elektromagnetischen Wellen (EM‘) erfolgt.
19. Verwendung einer Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und/oder eines Messverfahrens (200) nach Anspruch 17 für eine Detektion von biologischen und/oder physikalischen Parametern (15) von einem biologischen Material (30), wobei die Verwendung ausschließlich für diagnostische Zwecke erfolgt.
20. Therapieverfahren (300) für eine Behandlung onkologischer Tumore unter Verwendung einer Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, einem Therapiesystem (100) nach Anspruch 15 oder 16 und/oder einem Messverfahren (200) nach Anspruch 18.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3938759A1 (de) * 1989-11-23 1991-05-29 Philips Patentverwaltung Nichtinvasive oximeteranordnung
DE102004043876A1 (de) * 2004-09-10 2006-03-30 Frank Bechtold Verfahren und System zur Echtheitsbestimmung der individual-typischen Merkmalen von Prüfobjekten
WO2007024734A2 (en) * 2005-08-19 2007-03-01 Old Dominion Research Foundation Ultrawideband antenna for operation in tissue
DE102006043984B4 (de) 2006-09-19 2010-04-15 Oncotherm Kft. Lösbarer Applikator für elektromagnetische Strahlung für eine Hyperthermievorrichtung
EP2153866A1 (de) * 2008-08-14 2010-02-17 Oncotherm Kft. Tragbare Funkfrequenz-Hyperthermie-Vorrichtung mit flexibler Behandlungselektrode für elektrisch kapazitiv gekoppelte Energieübertragung
EP2174689A1 (de) * 2008-10-13 2010-04-14 Oncotherm Kft. Hochfrequenz-Hyperthermievorrichtung mit Zielrückführungssignalmodulation
EP3231478A1 (de) * 2016-04-13 2017-10-18 Oncotherm Kft. Hochfrequenzhyperthermievorrichtung mit doppelimpedanzanpassungssystem
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