WO2012113658A1 - Medical appliance for heating human or animal tissue - Google Patents

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WO2012113658A1
WO2012113658A1 PCT/EP2012/052269 EP2012052269W WO2012113658A1 WO 2012113658 A1 WO2012113658 A1 WO 2012113658A1 EP 2012052269 W EP2012052269 W EP 2012052269W WO 2012113658 A1 WO2012113658 A1 WO 2012113658A1
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WO
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magnetic field
tissue
magnetic
heated
particles
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/052269
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German (de)
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Inventor
Günter RIES
Dirk Diehl
Harald Schmidt
Wolfgang Schmidt
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K41/00—Medicinal preparations obtained by treating materials with wave energy or particle radiation ; Therapies using these preparations
    • A61K41/0052—Thermotherapy; Hyperthermia; Magnetic induction; Induction heating therapy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/04—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating

Definitions

  • the invention relates to a medical device for He ⁇ heating of human or animal tissue.
  • Magnetic Drug Targeting For the treatment of human or animal tissue known from the prior art, the so-called. Magnetic Drug Targeting.
  • very small ferromagnetic or ferrimagnetic particles (so-called nanoparticles) with medicinal active substance are introduced into the bloodstream of a patient and drawn out of the bloodstream into the diseased tissue by a magnetic gradient field and held there. This leads to a high concentration of the active substance carried by the nanoparticles, which will then give Help in the area of the diseased tissue.
  • Magnetic drug targeting is used in particular for the treatment of tumor diseases, so-called cytotoxic agents being used as the active ingredient, which are cell-damaging medicaments.
  • cytotoxic agents being used as the active ingredient, which are cell-damaging medicaments.
  • the pathological tissue is heated above 40 ° C and killed.
  • the energy required for this purpose can be supplied to ver ⁇ different manner, for example by high frequency electromagnetic waves by means of heating, irradiation (eg, microwave), by means of ultrasound or laser light.
  • the heating effect may be amplified if necessary who, when ⁇ the nanoparticles are introduced into the diseased tissue in analogy to Magnetic-drug-targeting, for example, in the alternating field of a high frequency electromagnetic magnetic comparison Have losses and so increase the local heat.
  • the loss mechanisms in magnetically single-domain nanoparticles are Neel relaxation and Brown relaxation.
  • the Neel relaxation of the magnetization vector of the particles ⁇ is thermally activated and jumps between two preferred directions along the crystal axes of the particle back and forth.
  • the nanoparticles align themselves by rotation at the magnetic field and dissipate energy by friction. This contribution is effective only in non-ambient bound, rather spherical particles which are free to rotate.
  • the magnetization is subdivided into several domains (white domains)
  • hysteresis losses due to remagnetization in the high-frequency alternating field are added.
  • the object of the invention is therefore to provide a medical device for heating human or animal tissue, which can be used to treat predefined demarcated tissue areas.
  • the inventive apparatus comprises a first magnetic ⁇ field device for generating a first magnetic field in the to be heated tissue, wherein the first magnetic field is a time ⁇ Lich constant gradient field. That is, the first Mag ⁇ netfeld has at different positions in the room a different magnetic field strength, where the ⁇ but strengthen not change in time magnetic field.
  • a first magnetic field device for example, a magnetic field device can be used, which is already used in the context of the above-described magnetic drug targeting.
  • the device according to the invention further comprises a second magnetic field device for generating a second magnetic field in the tissue to be heated, wherein the second magnetic field varies in time with a frequency.
  • the frequency is preferably in a high frequency range, which starts at about one kilohertz.
  • the high frequency is in the range of several to several hundred megahertz.
  • the first and the second magnetic field device can be positioned relative to one another such that the magnetic field vector of the second magnetic field has a spatial magnetic field component perpendicular to the magnetic field vector of the first magnetic field.
  • the second magnetic field in the tissue to be heated is substantially perpendicular to the first magnetic field.
  • each particle In conjunction with the moment of inertia of each particle forms an oscillatory system with a Resonanzfre ⁇ frequency, which depends on the amount of the first magnetic field at the location of the respective particle and the moment of inertia and the magnetic ⁇ tica moment of the respective particle.
  • the perpendicular ⁇ right to the magnetic field lines of the first magnetic field device tion stationary magnetic field components of the second alternating magnetic field cause a periodic angular deflection of the particle about an axis of rotation extending through the particle.
  • the angular excursion of this vibration excitation is the greater the closer the exciting frequency is to the resonance frequency of the particles. This behavior is described by a known resonance curve.
  • the device according to the invention makes use of the fact that the friction losses of the oscillation and thus the heat generated increase with the angle amplitude.
  • the politicianserzeu ⁇ supply is greatest where inspiring and resonant frequency of the particles are close together.
  • the first magnetic field generated by the Invention ⁇ contemporary device is a DC field with a gradient, the resonance condition, and thus the heat generation is limited to a spatially limited area.
  • the inventive apparatus further includes a loading ⁇ user interface through which a region of maximum heating in the tissue to be heated are introduced into the corresponding particle, is specifiable.
  • a region of maximum heating in the tissue to be heated are introduced into the corresponding particle, is specifiable.
  • this area can be variously set by the user.
  • the user enters a depth or depth range in which diseased tissue is located. In this tissue depth then the maximum heating should be done.
  • the user interface can thereby be ⁇ be arbitrarily designed.
  • it comprises a computer with a monitor, via which the user can specify the corresponding area of maximum heating by means of an input device (eg keyboard or mouse).
  • the inventive device is characterized in that the frequency of the second magnetic ⁇ field and / or the amount of the first magnetic field is automatically adjusted in dependence of the magnetic moment and the moment of inertia of the particles that the particles in about the user- section portions specified to be excited to rotational vibrations such that they oscillate substantially at the resonant frequency.
  • the vibration amplitude of the particles and the absorbed energy maximally, whereby a very high heating is ensured in this area.
  • the invention is based on the finding that particles in human or animal tissue can be set in resonance with suitable irradiation of a magnetic gradient field and a cryfre ⁇ quent magnetic field, wherein by controlling the frequency of the alternating magnetic field or the magnetic field strength of the gradient field of the location can be changed, at the resonance and thus maximum heating occurs. Unlike traditional on the directions desired by the user and SPECIFIED ⁇ th via a user interface tissue areas can thus be heated much more targeted.
  • the OF INVENTION dung contemporary device is guide shape configured such that at a fixed first magnetic field, the frequency of the second magnetic field is set auto ⁇ matically to vibrate the particles on the Benut ⁇ cut point specified range with the Resonanzfre acid sequence ,
  • the high-frequency magnetic field is thus changed as the only actuating variable in order thereby to vary the resonance frequency, which in turn leads to a change in the tissue area with resonantly oscillating particles and thus in the area of maximum heating due to the spatial variation of the gradient field.
  • the device can be specified via the user interface which particles are introduced into the tissue to be heated.
  • the corresponding magnetic moment and moment of inertia in the device is behind ⁇ lays for each particle type, in this way the range of maximum heating by varying the high frequency field or the gradient set suitable field.
  • a user enters explicitly on the Benut ⁇ cut point, the magnetic moment and the Trägheitsmo ⁇ ment of the particles used or stored variables from which these parameters can be determined for determining the resonant frequency.
  • the first magnetic field device is designed such that it can generate a first magnetic field with spatially varying magnetic field strengths in the range between 0.05 and 5 Tesla, in particular between 0.1 and 1 Tesla.
  • Such magnetic field strengths can usually be generated with electromagnets used for magnetic drug targeting.
  • the first magnetic field device may comprise an electromagnet with a pole piece which can be positioned adjacent to the tissue to be heated.
  • the amplitude of the second magnetic field is substantially less than that of the first magnetic field and is in particular below 0.1 Tesla.
  • the second magnetic field device used in the inventive device preferably comprises one or more powered through a high-frequency generator high frequency antennas, which are po ⁇ sitionierbar adjacent to the tissue to be heated.
  • a high-frequency generator high frequency antennas which are po ⁇ sitionierbar adjacent to the tissue to be heated.
  • the amplitude and phase of the magnetic field generated by the one or more high frequency antennas are adjustable. In this way, the high-frequency alternating field can be selectively introduced to desired tissue areas to be heated.
  • the second magnetic field device comprises one or more high-frequency coils which are operated via a high-frequency generator and which, in turn, can be positioned adjacent to the tissue to be heated.
  • the Hochfre ⁇ quenz coils or the above-mentioned high-frequency antennas can be placed on the skin of a patient, wherein below the skin area on which the antennas or coils are located, the tissue to be heated is in a terme ⁇ specific depth.
  • the antennas or coils may also be arranged at a predetermined distance from the skin of the patient.
  • the high frequency coil according to the above-described variant of the invention preferably comprise one or more, arranged in the We ⁇ sentlichen in a plane flat coils or spiral coil, the flat coils are, in particular one or more pairs of adjacent flat coils, preferably during operation of the flat coils the stream rich ⁇ processing of a flat coil of a respective pair
  • Eaglege ⁇ set to the current direction of the other flat coil of each pair.
  • the second magnetic field device comprises a ferrite core, in particular in the form of a ferrite ring.
  • ⁇ by a magnetic yoke may be created to raised stabili ⁇ hen the density of the alternating magnetic field in the tissue.
  • these particles are such as those particles described above constitute a part of this device, these particles are such as bushs ⁇ taltet that they preference a maximum spatial extent between 1 and 200 nm, in particular between 2 and 100 nm and ⁇ between 2 and 25 nm, have.
  • the particles introduced into the tissue have substantially the same or a similar moment of inertia and the same or a similar magnetic moment. In this way, the spatial area where maximum heating occurs can be very narrowly limited. By a corresponding diversification of these properties, an expansion of tion of the spatial area with maximum warming can be achieved.
  • the particles used in the device according to the invention can be designed differently. It is only essential that they have a given magnetic moment in the form of a corresponding magnetic moment vector.
  • the particles for generating the magnetic moment comprise ferromagnetic or ferrimagnetic material, for example iron and / or cobalt and / or Fe 2 C> 3 (in the modification denoted as Maghem) and / or Fe 3 O 4 (also as
  • the particles can only consist of these materials and thus only cause heating of the tissue.
  • the particles carry a medicinal agent, which is arranged in particular as a shell around the core of the respective particle.
  • the shell can be designed so that it releases the active ingredient preferably only when heated ⁇ .
  • the core preferably comprises one or more of the above-mentioned magnetic materials and serves to generate the magnetic moment of the particle.
  • Figure 1 is a schematic representation showing the treatment of a patient treatment ⁇ with a shape of the medical device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic plan view of flat coils, wel ⁇ che are used in the apparatus of Figure 1 for generating a high-frequency alternating magnetic field.
  • FIG. 3 shows a schematic representation which illustrates the magnetic fields generated in the human tissue and the nanoparticles contained therein within the scope of the treatment according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows the treatment of a patient based on an embodiment of the device according to the invention.
  • the patient P is in this case on a patient bed 7, and in the context of the treatment, a defined area of its fabric in the right abdominal region using the following be written ⁇ device is heated.
  • the device in this case comprises an electromagnet 1 in the form of a large magnetic coil which ⁇ is rotatably mounted on a vertical leg 3 buildin Untitled.
  • the leg is part of a carriage 4, with which the magnetic coil can be driven towards the body region to be treated.
  • By the magnetic coil a temporally constant magnetic gradient field is generated, the field ⁇ lines run out of the pole shoe designated by reference numeral 2.
  • the pole piece is thereby positioned immediately adjacent to the skin region whose underlying tissue is to be heated.
  • the structure of the magnetic field device with magnetic coil 1 and pole piece 2 is in itself from the prior Technique known and is conventionally used for initially ⁇ written magnetic drug targeting.
  • Nanoparticles are supplied with through ⁇ diameters in the range of a few nanometers. These nanoparticles have a given magnetic moment and consist for example of magnetite.
  • the particles also contain a shell with a medical active substance, the release of which is accelerated or only made possible by local heating of the corresponding tissue area.
  • an accumulation of the nanoparticles in the tissue area to be heated is achieved via the magnetic gradient field of the magnetic coil 1 due to the magnetic force acting on the particles by the magnetic field.
  • the active ingredient to the nanoparticles preferably cell-damaging drugs (so-called. Cytostatics) comprises. Due to the local accumulation of nanoparticles in the diseased tissue area and the subsequent warming of this tissue area, a very focused release of the drug can only be achieved in the diseased tissue region.
  • the heating of the tissue area is achieved in the device of FIG. 1 with the aid of schematically indicated radio-frequency coils 5 which are positioned on the patient's skin above the diseased tissue.
  • the coils are connected to ei ⁇ nem high-frequency generator 6, a high-frequency alternating magnetic field generated by the coil on which heats the tissue region below the coils.
  • the illustrated device further comprises a computer 8 with a monitor, wherein the computer on the one hand represents a user interface for medical operating personnel and on the ⁇ the correct setting of the high-frequency magnetic field determined and based on the high-frequency generator to ⁇ controls.
  • the device according to the invention allows a very selective selection of the tissue area to be heated.
  • the medical staff can specify via the user interface 8 in a suitable manner, at what depth in the tissue is the pathological area. Based on this, then calculated the pros ⁇ direction automatically that frequency of high-frequency magnetic field, the nanoparticles are excited to resonant vibrations at the specified depth. In addition, the moment of inertia of the individual particles and their magnetic moment are included in this calculation. Entspre ⁇ sponding values of these variables are stored in the device or may be specified by the operator if necessary. In general, the supplied nanoparticles have the same or a similar size, thereby ensuring that the heating is local be ⁇ borders. By appropriate variation of the moments of inertia and / or magnetic moments of the nanoparticles used In this case, the area in which the heating is to take place can be enlarged or reduced in a suitable manner.
  • Fig. 2 shows for clarity a plan view of the flat coils used in the magnetic field device 5 of Fig. 1.
  • the two flat coils 5a and 5b are used which have the form of circles which, however, are flattened in a partial region.
  • both coils comprise on their facing inner sides a straight coil section, which extends in Fig. 1 in the vertical direction. This section is followed by corresponding circular arcuate sections which run from one side of the straight section to the other side of the straight section.
  • Arrows AR reflect the current direction in the respective flat coils. It can be seen that the current direction in the left coil 5a is opposite to the current direction in the right coil 5b.
  • an alternating magnetic field can be efficiently supplied to the patient tissue, wherein the magnetic field lines are such that they are substantially perpendicular to the magnetic field lines of the magnetic coil 1 of Fig. 1, as can be seen in the Fig. 3 described below.
  • the alternating magnetic field generated by the coils 5a and 5b having netfeldkomponente a MAG which is perpendicular to the magnetic ⁇ field lines of the magnetic field generated by the magnetic coil 1, because otherwise, the nanoparticles are not excited in the tissue to oscillations ⁇ conditions can.
  • the representation of FIG. 2 is highly schematic. In particular, it is not apparent that the individual turns of the respective coils are interconnected, resulting in a course of the turns in the manner of a spiral.
  • Fig. 3 shows in section a detail view of the pole piece 2 of Fig. 1 with the underlying tissue of the treated patient.
  • the skin of the Pati ⁇ ducks with reference H is indicated.
  • the patient's tissue is thus under ⁇ half of reproduced as a line skin H.
  • the coil assembly of Fig. 2 can be seen, which is now shown in section. It can be seen in particular on the left or right edge of the figure, the outer turns of the coil 5a and 5b with out of the sheet plane outflow direction. Further, the ever ⁇ wells four windings of the straight coil portions with the inside running in the plane of the sheet flow direction are shown below the pole piece.
  • the embodiment of the magnetic field device described here further includes a schematically indicated ferrite ring, which runs around the outer turns of the coils and is indicated by reference numeral 5c.
  • the outer turns of the coils can be glued to the underside of the toroidal core, for example. With the ferrite ring on the back of the coil, a magnetic return is formed, which increases the high-frequency field of use in the tissue and partially shields on the back ⁇ .
  • FIG. 3 the magnetic field of the magnetic coil 1 is indicated by Feldli ⁇ nien Ml, which run out of the pole piece 2. For reasons of clarity, only some of the field lines are provided with the reference symbol Ml.
  • the magnetic field lines of the high-frequency coils in contrast, run in concentric circles and are designated in FIG. 3 by M2, wherein for reasons of clarity , not all lines are again provided with this reference symbol. It is seen from Fig. 3 in particular that the magnetic field lines of the gradient field are in Ml We ⁇ sentlichen perpendicular to the magnetic field lines of the alternating field M2.
  • FIG. 3 further shows by way of example a nanoparticle used in the context of the invention, which is designated by the reference numeral 9.
  • the nanoparticle includes fully in the embodiment shown here disclosed embodiment, a ferromagnetic core tables 9a be ⁇ is preferably made of Fe 3 Ü 4 (magnetite). Arranged around the core 9a is a sheath 9b which contains a corresponding medicinal active substance.
  • FIG. 3 also shows a detailed view DE of the nanoparticle 9.
  • the nanoparticle has a magnetic moment m, the is represented by an arrow.
  • a coordinate system with an x and a y axis is indicated by the origin of the nanoparticle.
  • the vector of the magnetic moment aligns in the direction of the field lines of the magnetic field M1.
  • the y-axis runs in the direction of a magnetic field line of the field Ml towards the pole piece 2.
  • the nanoparticle forms a vibratory system, which can rotate by applying the high-frequency alternating field M2 to the perpendicular to the coordinate system extending and extending in the plane of the plane, which is indicated by the curved double arrow AR '.
  • J denotes the moment of inertia. Since the particles are approximately balls, the moment of inertia can be determined based on the radius of each particle as follows:
  • the size B of the magnetic field Ml falling radially away from the pole piece can be determined for different depths in the tissue in a manner known per se.
  • a user can specify a depth in the tissue with maximum cal heating via the user interface 8 of FIG. 1. From this depth, the size B of the magnetic field Ml can then be determined at this location. This then results in the above equation (2), the resonant frequency, since the magnetic moment and the inertia ⁇ moment of the particle are known.
  • the radius r of the magnetite core is between 2.5 and 25 nm; the density of the core is 5200 kg / m 3 ;
  • the magnetization of the core is 500 kA / m;
  • the volume V of the core is between 6.5 X 10 ⁇ 26 and
  • formula (3) yields an approximately spherical nanoparticle without a shell
  • the high frequency of the magnetic field must be in the MHz range to the particles with to vibrate the resonant frequency.
  • Flat coils also use an array of radio frequency antennas or a single radio frequency antenna.
  • Before ⁇ preferably are amplitude and phase of each antenna adjustable so as to achieve a focusing of the high-frequency field at the desired location of the heating.
  • the flat coils are placed directly on the body surface of the patient.
  • the flat coils it is also possible to place the flat coils at a certain distance of, for example, 5 to 20 cm from the body, wherein the space between the flat coils and the patient's body can optionally be filled with a known water bolus.
  • the device allows a depth selection of the maximum energy absorption, so that target specific tissue areas, such as tumors deeper can be treated, when magnetic nanoparticles are used with a drug which is only meet ⁇ ben if the nanoparticles a high frequency Magnet ⁇ field are exposed, or its toxicity increases sharply with increasing temperature.
  • the preferred near the body surface angerei ⁇ cherten through a strongly rising gradient particles will therefore no active ingredient free or unfold no toxic effect, when no resonance occurs in these areas. So is also no material injury ⁇ supply of the tissue and the particles with active substance are excreted from the body in this region near the surface.
  • the magnetic gradient field can be optimized in this case in terms of long-range, ie the gradient field may - depending on the width of the Resonanzab ⁇ sorption - possibly fall off flatter in the tissue area to be treated and then reach deeper tumors.

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Abstract

The invention relates to a medical appliance for heating human or animal tissue. The appliance comprises a first magnetic field device (1, 2) for generating a first magnetic field (M1) in the tissue to be heated, wherein the first magnetic field (M1) is a time-constant gradient field, and a second magnetic field device (5, 6) for generating a second magnetic field in the tissue to be heated, wherein the second magnetic field (M2) varies over time with a frequency. The first and second magnetic field devices (1,2; 5, 6) can be positioned relative to each other in such a way that the second magnetic field (M2) has, in the tissue to be heated, a magnetic field component perpendicular to the first magnetic field (M1), as a result of which particles (9), which have a magnetic moment (m) and which are introduced into the tissue to be heated during the operation of the appliance, are moved in rotary oscillations. The particles (9) in each case form an oscillatory system with a resonant frequency that depends on the magnitude of the first magnetic field (M1) at the site of the respective particle (9) and on the moment of inertia and the magnetic moment (m) of the respective particle (9). The appliance according to the invention further comprises a user interface (8), via which an area (A) of maximal heating can be specified in the tissue to be heated with particles introduced therein. The appliance is configured such that, depending on the magnetic moment (m) and the moment of inertia of the particles (9), the frequency of the second magnetic field and/or the magnitude of the first magnetic field (M1) are adjusted in such a way that the particles (9) in the area (A) specified via the user interface (8) oscillate substantially with the resonant frequency.

Description

Beschreibung description
Medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe Medical device for heating human or animal tissue
Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung zur Er¬ wärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe. The invention relates to a medical device for He ¬ heating of human or animal tissue.
Zur Behandlung von menschlichem oder tierischem Gewebe ist aus dem Stand der Technik das sog. Magnetic-Drug-Targeting bekannt. Dabei werden sehr kleine ferro- bzw. ferrimagneti- sche Partikel (sog. Nanopartikel ) mit medizinischem Wirkstof in den Blutstrom eines Patienten eingebracht und durch ein magnetisches Gradientenfeld aus der Blutbahn in das krankhaf te Gewebe gezogen und dort festgehalten. Dies führt zu einer hohen Aufkonzentration des von den Nanopartikeln getragenen Wirkstoffs, der dann im Bereich des krankhaften Gewebes abge geben wird. Magnetic-Drug-Targeting wird dabei insbesondere zur Behandlung von Tumorerkrankungen eingesetzt, wobei als Wirkstoff sog. Zytostatika verwendet werden, bei denen es sich um zellschädigende Medikamente handelt. Durch die Loka¬ lisation der magnetischen Partikel in den krankhaften Gewebe bereichen entfaltet sich die therapeutische Wirkung des Wirk stoffs nur lokal. Die Freisetzung des Wirkstoffs kann gegebe nenfalls durch lokale Erwärmung beschleunigt oder auch erst ermöglicht werden. For the treatment of human or animal tissue known from the prior art, the so-called. Magnetic Drug Targeting. In the process, very small ferromagnetic or ferrimagnetic particles (so-called nanoparticles) with medicinal active substance are introduced into the bloodstream of a patient and drawn out of the bloodstream into the diseased tissue by a magnetic gradient field and held there. This leads to a high concentration of the active substance carried by the nanoparticles, which will then give abge in the area of the diseased tissue. Magnetic drug targeting is used in particular for the treatment of tumor diseases, so-called cytotoxic agents being used as the active ingredient, which are cell-damaging medicaments. By Loka ¬ neutralization of the magnetic particles in the pathological tissue areas, the therapeutic effect of the active substance locally deployed. The release of the active ingredient may, if appropriate, be accelerated or even made possible by local heating.
Aus dem Stand der Technik ist ferner die Behandlung von menschlichem oder tierischem Gewebe mittels Hyperthermie be¬ kannt. Dabei wird das krankhafte Gewebe über 40 °C erwärmt und so abgetötet. Die hierzu benötigte Energie kann auf ver¬ schiedene Art und Weise zugeführt werden, z.B. mittels einer Heizung, der Einstrahlung von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen (z.B. Mikrowellen), mittels Ultraschall oder Laserlicht. Die Heizwirkung kann gegebenenfalls verstärkt wer¬ den, wenn in Analogie zum Magnetic-Drug-Targeting Nanopartikel in das krankhafte Gewebe eingebracht werden, die z.B. im Wechselfeld einer Hochfrequenzeinstrahlung magnetische Ver- luste aufweisen und so die lokale Wärmeentwicklung erhöhen. Als Verlustmechanismen in magnetisch eindomänigen Nanoparti- keln sind dabei die Neel-Relaxation und die Brown-Relaxation bekannt. Gemäß der Neel-Relaxation wird der Magnetisierungs¬ vektor der Partikel thermisch aktiviert und springt zwischen zwei Vorzugsrichtungen entlang der Kristallachsen des Partikels hin und her. Gemäß der Brown-Relaxation richten sich die Nanopartikel durch Rotation am Magnetfeld aus und dissipieren Energie durch Reibung. Dieser Beitrag ist nur in nicht an die Umgebung gebundenen, eher kugelförmigen Teilchen wirksam, welche frei rotieren können. Bei größeren Nanopartikeln, bei denen die Magnetisierung in mehreren Domänen (Weißsche Bezirke) unterteilt ist, kommen Hystereseverluste durch das Ummag- netisieren im hochfrequenzen Wechselfeld hinzu. From the prior art is also the treatment of human or animal tissue by hyperthermia ¬ be known. The pathological tissue is heated above 40 ° C and killed. The energy required for this purpose can be supplied to ver ¬ different manner, for example by high frequency electromagnetic waves by means of heating, irradiation (eg, microwave), by means of ultrasound or laser light. The heating effect may be amplified if necessary who, when ¬ the nanoparticles are introduced into the diseased tissue in analogy to Magnetic-drug-targeting, for example, in the alternating field of a high frequency electromagnetic magnetic comparison Have losses and so increase the local heat. The loss mechanisms in magnetically single-domain nanoparticles are Neel relaxation and Brown relaxation. According to the Neel relaxation of the magnetization vector of the particles ¬ is thermally activated and jumps between two preferred directions along the crystal axes of the particle back and forth. According to the Brown relaxation, the nanoparticles align themselves by rotation at the magnetic field and dissipate energy by friction. This contribution is effective only in non-ambient bound, rather spherical particles which are free to rotate. For larger nanoparticles, where the magnetization is subdivided into several domains (white domains), hysteresis losses due to remagnetization in the high-frequency alternating field are added.
Die aus dem Stand der Technik bekannten medizinischen Vorrichtungen zur Durchführung von Magnetic-Drug-Targeting bzw. Hyperthermie können nur grob Gewebebereiche abgrenzen, in de¬ nen ein entsprechender Wirkstoff abgegeben wird bzw. das Gewebe erwärmt wird. Es besteht nicht die Möglichkeit einer quantitativen Einstellung der Vorrichtung auf genau spezifizierte Gewebebereiche, in denen ein Wirkstoff wirksam sein soll bzw. eine Gewebeerwärmung auftreten soll. Demzufolge führen therapeutische Behandlungen mit bekannten Vorrichtungen häufig auch zur ungewollten Zerstörung von gesundem Gewebe . The known from the prior art medical devices for performing magnetic drug targeting or hyperthermia can only roughly demarcate tissue areas in de ¬ nen a corresponding drug is delivered or the tissue is heated. There is no possibility of a quantitative adjustment of the device to precisely specified areas of tissue in which an active substance should be effective or a tissue warming should occur. As a result, therapeutic treatments with known devices often result in the unwanted destruction of healthy tissue.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine medizinische Vor¬ richtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe zu schaffen, mit der vorgebbare abgegrenzte Gewebebereiche behandelt werden können. The object of the invention is therefore to provide a medical device for heating human or animal tissue, which can be used to treat predefined demarcated tissue areas.
Diese Aufgabe wird durch die medizinische Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by the medical device according to claim 1. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine erste Magnet¬ feldeinrichtung zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds in dem zu erwärmenden Gewebe, wobei das erste Magnetfeld ein zeit¬ lich konstantes Gradientenfeld ist. Das heißt, das erste Mag¬ netfeld weist an verschiedenen Positionen im Raum eine unterschiedliche Magnetfeldstärke auf, wobei sich die Magnetfeld¬ stärken jedoch nicht zeitlich verändern. Als erste Magnetfeldeinrichtung kann z.B. eine Magnetfeldeinrichtung eingesetzt werden, welche bereits im Rahmen des oben beschriebenen Magnetic-Drug-Targeting verwendet wird. The inventive apparatus comprises a first magnetic ¬ field device for generating a first magnetic field in the to be heated tissue, wherein the first magnetic field is a time ¬ Lich constant gradient field. That is, the first Mag ¬ netfeld has at different positions in the room a different magnetic field strength, where the ¬ but strengthen not change in time magnetic field. As a first magnetic field device, for example, a magnetic field device can be used, which is already used in the context of the above-described magnetic drug targeting.
Neben der ersten Magnetfeldeinrichtung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine zweite Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds in dem zu erwärmenden Gewebe, wobei das zweite Magnetfeld zeitlich mit einer Frequenz variiert. Die Frequenz liegt dabei vorzugsweise in einem Hochfrequenzbereich, der in etwa bei einem Kilohertz beginnt. Vorzugsweise liegt die Hochfrequenz in dem Bereich von einigen bis zu mehreren hundert Megahertz. In addition to the first magnetic field device, the device according to the invention further comprises a second magnetic field device for generating a second magnetic field in the tissue to be heated, wherein the second magnetic field varies in time with a frequency. The frequency is preferably in a high frequency range, which starts at about one kilohertz. Preferably, the high frequency is in the range of several to several hundred megahertz.
In der medizinischen Vorrichtung sind die erste und die zweite Magnetfeldeinrichtung derart zueinander positionierbar, dass der Magnetfeldvektor des zweiten Magnetfelds eine räumliche Magnetfeldkomponente senkrecht zu dem Magnetfeldvektor des ersten Magnetfelds aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Magnetfeld im zu erwärmenden Gewebe im Wesentlichen senkrecht auf dem ersten Magnetfeld. Auf die¬ se Weise können Partikel, welche ein magnetisches Moment auf¬ weisen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, in Rotationsschwingungen versetzt werden. Man macht sich hierbei die physikalische Erkenntnis zu¬ nutze, dass sich die magnetischen Momente der Partikel im ersten Magnetfeld ausrichten wollen und bei einer Winkelauslenkung ein zum Winkel proportionales Rückstellmoment erfah¬ ren. Im Zusammenwirken mit dem Trägheitsmoment bildet jedes Partikel ein schwingungsfähiges System mit einer Resonanzfre¬ quenz, welche vom Betrag des ersten Magnetfelds am Ort des jeweiligen Partikels sowie dem Trägheitsmoment und dem magne¬ tischen Moment des jeweiligen Partikels abhängt. Die senk¬ recht zu den Magnetfeldlinien der ersten Magnetfeldeinrich- tung stehenden Magnetfeldkomponenten des zweiten Magnetwechselfelds bewirken eine periodische Winkelauslenkung des Partikels um eine durch das Partikel verlaufende Rotationsachse. Die Winkelauslenkung dieser Schwingungsanregung ist umso größer, je näher die anregende Frequenz an der Resonanzfrequenz der Partikel liegt. Dieses Verhalten wird durch eine bekannte Resonanzkurve beschrieben. In the medical device, the first and the second magnetic field device can be positioned relative to one another such that the magnetic field vector of the second magnetic field has a spatial magnetic field component perpendicular to the magnetic field vector of the first magnetic field. In a preferred embodiment, the second magnetic field in the tissue to be heated is substantially perpendicular to the first magnetic field. In the ¬ se way, particles which have a magnetic moment on ¬ and are introduced in the operation of the device in the tissue to be heated, are set in rotational vibrations. One gets in this case to ¬ use, that the magnetic moments of the particles will align in the first magnetic field and a signal proportional to angular restoring moment ren experi ¬ at an angular deflection of the physical realization. In conjunction with the moment of inertia of each particle forms an oscillatory system with a Resonanzfre ¬ frequency, which depends on the amount of the first magnetic field at the location of the respective particle and the moment of inertia and the magnetic ¬ tischen moment of the respective particle. The perpendicular ¬ right to the magnetic field lines of the first magnetic field device tion stationary magnetic field components of the second alternating magnetic field cause a periodic angular deflection of the particle about an axis of rotation extending through the particle. The angular excursion of this vibration excitation is the greater the closer the exciting frequency is to the resonance frequency of the particles. This behavior is described by a known resonance curve.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt dabei aus, dass die Reibungsverluste der Schwingung und damit die erzeugte Wärme mit der Winkelamplitude ansteigen. Somit ist die Wärmeerzeu¬ gung dort am größten, wo anregende und Resonanzfrequenz der Partikel nahe beieinander liegen. Da das mit der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld ein Gleichfeld mit einem Gradienten ist, ist die Resonanzbedingung und damit die Wärmeentwicklung nur auf einen räumlich begrenzten Bereich beschränkt. The device according to the invention makes use of the fact that the friction losses of the oscillation and thus the heat generated increase with the angle amplitude. Thus, the Wärmeerzeu ¬ supply is greatest where inspiring and resonant frequency of the particles are close together. Since the first magnetic field generated by the Invention ¬ contemporary device is a DC field with a gradient, the resonance condition, and thus the heat generation is limited to a spatially limited area.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet ferner eine Be¬ nutzerschnittstelle, über welche ein Bereich maximaler Erwärmung in dem zu erwärmenden Gewebe, in das entsprechende Partikel eingebracht sind, spezifizierbar ist. Je nach Anwen¬ dungsfall kann dieser Bereich verschieden durch den Benutzer festgelegt werden. Vorzugsweise gibt der Benutzer eine Tiefe oder auch einen Tiefenbereich ein, in dem sich krankhaftes Gewebe befindet. In dieser Gewebetiefe soll dann die maximale Erwärmung erfolgen. Die Benutzerschnittstelle kann dabei be¬ liebig ausgestaltet sein. Insbesondere umfasst sie einen Rechner mit Monitor, über den mittels einer Eingabeeinrichtung (z.B. Tastatur oder Maus) der entsprechende Bereich maximaler Erwärmung durch den Benutzer spezifiziert werden kann . The inventive apparatus further includes a loading ¬ user interface through which a region of maximum heating in the tissue to be heated are introduced into the corresponding particle, is specifiable. Depending on user ¬ case of use of this area can be variously set by the user. Preferably, the user enters a depth or depth range in which diseased tissue is located. In this tissue depth then the maximum heating should be done. The user interface can thereby be ¬ be arbitrarily designed. In particular, it comprises a computer with a monitor, via which the user can specify the corresponding area of maximum heating by means of an input device (eg keyboard or mouse).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von dem magnetischen Moment und dem Trägheitsmoment der Partikel die Frequenz des zweiten Magnet¬ felds und/oder der Betrag des ersten Magnetfelds automatisch derart eingestellt wird, dass die Partikel im über die Benut- zerschnittsteile spezifizierten Bereich zu Rotationsschwingungen derart angeregt werden, dass sie im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz schwingen. Somit werden die Schwingungs amplitude der Partikel und die absorbierte Energie maximal, wodurch eine sehr hohe Erwärmung in diesem Bereich gewährleistet wird. The inventive device is characterized in that the frequency of the second magnetic ¬ field and / or the amount of the first magnetic field is automatically adjusted in dependence of the magnetic moment and the moment of inertia of the particles that the particles in about the user- section portions specified to be excited to rotational vibrations such that they oscillate substantially at the resonant frequency. Thus, the vibration amplitude of the particles and the absorbed energy maximally, whereby a very high heating is ensured in this area.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Partikel im menschlichen oder tierischen Gewebe bei geeigneter Einstrahlung eines magnetischen Gradientenfelds und eines hochfre¬ quenten magnetischen Felds in Resonanz versetzt werden können, wobei durch die Steuerung der Frequenz des magnetischen Wechselfelds bzw. der Magnetfeldstärke des Gradientenfelds der Ort verändert werden kann, an dem Resonanz und somit maximale Erwärmung auftritt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vor richtungen können somit viel gezielter die von dem Benutzer gewünschten und über eine Benutzerschnittstelle spezifizier¬ ten Gewebebereiche erwärmt werden. The invention is based on the finding that particles in human or animal tissue can be set in resonance with suitable irradiation of a magnetic gradient field and a hochfre ¬ quent magnetic field, wherein by controlling the frequency of the alternating magnetic field or the magnetic field strength of the gradient field of the location can be changed, at the resonance and thus maximum heating occurs. Unlike traditional on the directions desired by the user and SPECIFIED ¬ th via a user interface tissue areas can thus be heated much more targeted.
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form ist die erfin dungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei festem erstem Magnetfeld die Frequenz des zweiten Magnetfelds auto¬ matisch eingestellt wird, um die Partikel im über die Benut¬ zerschnittstelle spezifizierten Bereich mit der Resonanzfre¬ quenz schwingen zu lassen. Es wird somit als einzige Stell¬ größe das hochfrequente Magnetfeld verändert, um hierdurch die Resonanzfrequenz zu variieren, was wiederum dazu führt, dass aufgrund der räumlichen Veränderung des Gradientenfelds der Gewebebereich mit resonant schwingenden Partikeln und da mit der Bereich der maximalen Erwärmung verändert wird. In a particularly preferred embodiment, the OF INVENTION dung contemporary device is guide shape configured such that at a fixed first magnetic field, the frequency of the second magnetic field is set auto ¬ matically to vibrate the particles on the Benut ¬ cut point specified range with the Resonanzfre acid sequence , The high-frequency magnetic field is thus changed as the only actuating variable in order thereby to vary the resonance frequency, which in turn leads to a change in the tissue area with resonantly oscillating particles and thus in the area of maximum heating due to the spatial variation of the gradient field.
In einer weiteren Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist über die Benutzerschnittstelle spezifizierbar, welche Partikel in dem zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind. Dabei ist für jede Partikelart das entsprechende magne tische Moment und Trägheitsmoment in der Vorrichtung hinter¬ legt, um auf diese Weise den Bereich maximaler Erwärmung durch Variation des Hochfrequenzfelds bzw. des Gradienten- felds geeignet einzustellen. Gegebenenfalls besteht dabei die Möglichkeit, dass ein Benutzer auch explizit über die Benut¬ zerschnittstelle das magnetische Moment und das Trägheitsmo¬ ment der verwendeten Partikel eingibt bzw. Größen hinterlegt, aus denen diese Parameter zur Ermittlung der Resonanzfrequenz bestimmt werden können. In a further embodiment of the device according to the invention, it can be specified via the user interface which particles are introduced into the tissue to be heated. In this case, the corresponding magnetic moment and moment of inertia in the device is behind ¬ lays for each particle type, in this way the range of maximum heating by varying the high frequency field or the gradient set suitable field. Optionally consists possibility that a user enters explicitly on the Benut ¬ cut point, the magnetic moment and the Trägheitsmo ¬ ment of the particles used or stored variables from which these parameters can be determined for determining the resonant frequency.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Magnetfeldeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie ein erstes Magnetfeld mit sich räumlich verändernden magnetischen Feldstärken im Bereich zwischen 0,05 und 5 Tesla, insbesondere zwischen 0,1 und 1 Tesla, erzeugen kann. Solche Magnetfeldstärken können üblicherweise mit für Magnetic-Drug- Targeting verwendeten Elektromagneten generiert werden. Insbesondere kann die erste Magnetfeldeinrichtung einen Elektromagneten mit einem benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positionierbaren Polschuh umfassen. Vorzugsweise ist die Amplitude des zweiten Magnetfelds wesentlich geringer als die des ersten Magnetfelds und liegt insbesondere unterhalb von 0,1 Tesla. In a further variant of the device according to the invention, the first magnetic field device is designed such that it can generate a first magnetic field with spatially varying magnetic field strengths in the range between 0.05 and 5 Tesla, in particular between 0.1 and 1 Tesla. Such magnetic field strengths can usually be generated with electromagnets used for magnetic drug targeting. In particular, the first magnetic field device may comprise an electromagnet with a pole piece which can be positioned adjacent to the tissue to be heated. Preferably, the amplitude of the second magnetic field is substantially less than that of the first magnetic field and is in particular below 0.1 Tesla.
Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete zweite Magnetfeldeinrichtung umfasst vorzugsweise eine oder mehrere, über einen Hochfrequenz-Generator betriebene Hochfrequenz- Antennen, welche benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe po¬ sitionierbar sind. Vorzugsweise sind dabei die Amplitude und Phase des von der oder den Hochfrequenz-Antennen erzeugten magnetischen Felds einstellbar. Auf diese Weise kann gezielt das hochfrequente Wechselfeld an gewünschten zu erwärmenden Gewebebereichen eingebracht werden. The second magnetic field device used in the inventive device preferably comprises one or more powered through a high-frequency generator high frequency antennas, which are po ¬ sitionierbar adjacent to the tissue to be heated. Preferably, the amplitude and phase of the magnetic field generated by the one or more high frequency antennas are adjustable. In this way, the high-frequency alternating field can be selectively introduced to desired tissue areas to be heated.
In einer weiteren Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zweite Magnetfeldeinrichtung eine oder mehrere, über einen Hochfrequenz-Generator betriebene Hochfrequenz-Spulen, welche wiederum benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positionierbar sind. Dabei können die Hochfre¬ quenz-Spulen bzw. die oben erwähnten Hochfrequenz-Antennen z.B. auf der Haut eines Patienten aufgesetzt werden, wobei sich unter dem Hautbereich, auf dem sich die Antennen bzw. Spulen befinden, das zu erwärmende Gewebe in einer vorbe¬ stimmten Tiefe befindet. Gegebenenfalls können die Antennen bzw. Spulen auch in einem vorgegebenen Abstand von der Haut des Patienten angeordnet sein. In a further embodiment of the device according to the invention, the second magnetic field device comprises one or more high-frequency coils which are operated via a high-frequency generator and which, in turn, can be positioned adjacent to the tissue to be heated. The Hochfre ¬ quenz coils or the above-mentioned high-frequency antennas, for example, can be placed on the skin of a patient, wherein below the skin area on which the antennas or coils are located, the tissue to be heated is in a vorbe ¬ specific depth. Optionally, the antennas or coils may also be arranged at a predetermined distance from the skin of the patient.
Die Hochfrequenz-Spulen gemäß der oben beschriebenen Variante der Erfindung umfassen vorzugsweise eine oder mehrere, im We¬ sentlichen in einer Ebene angeordnete Flachspulen bzw. Spiralspulen, wobei die Flachspulen insbesondere ein oder mehrere Paare von nebeneinander angeordneten Flachspulen bilden, wobei im Betrieb der Flachspulen vorzugsweise die Stromrich¬ tung der einen Flachspule eines jeweiligen Paars entgegenge¬ setzt zur Stromrichtung der anderen Flachspule des jeweiligen Paar ist. Auf diese Weise kann sehr gut ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden, welches senkrecht auf einem sich vertikal in das Patientengewebe erstreckenden magnetischen Gradientenfeld steht. The high frequency coil according to the above-described variant of the invention preferably comprise one or more, arranged in the We ¬ sentlichen in a plane flat coils or spiral coil, the flat coils are, in particular one or more pairs of adjacent flat coils, preferably during operation of the flat coils the stream rich ¬ processing of a flat coil of a respective pair entgegenge ¬ set to the current direction of the other flat coil of each pair. In this way, a magnetic alternating field can be generated very well, which is perpendicular to a vertically extending into the patient tissue magnetic gradient field.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zweite Magnetfeldeinrichtung einen Ferritkern, insbesondere in der Form eines Ferritrings. Hier¬ durch kann ein magnetischer Rückschluss erzeugt werden, um die Dichte des magnetischen Wechselfelds im Gewebe zu erhö¬ hen . In a further embodiment of the device according to the invention, the second magnetic field device comprises a ferrite core, in particular in the form of a ferrite ring. Here ¬ by a magnetic yoke may be created to raised stabili ¬ hen the density of the alternating magnetic field in the tissue.
In einer weiteren Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die oben beschriebenen Partikel einen Teil dieser Vorrichtung bilden, sind diese Partikel derart ausges¬ taltet, dass sie eine maximale räumliche Ausdehnung zwischen 1 und 200 nm, insbesondere zwischen 2 und 100 nm und vorzugs¬ weise zwischen 2 und 25 nm, aufweisen. Vorzugsweise weisen die in das Gewebe eingebrachten Partikel im Wesentlichen das gleiche oder ein ähnliches Trägheitsmoment sowie das gleiche oder ein ähnliches magnetisches Moment auf. Auf diese Weise kann der räumliche Bereich, an dem maximale Erwärmung auftritt, sehr eng begrenzt werden. Durch eine entsprechende Streuung dieser Eigenschaften kann demgegenüber eine Aufwei- tung des räumlichen Bereichs mit maximaler Erwärmung erreicht werden . In a further disclosed embodiment of the inventive device in which the particles described above constitute a part of this device, these particles are such ausges ¬ taltet that they preference a maximum spatial extent between 1 and 200 nm, in particular between 2 and 100 nm and ¬ between 2 and 25 nm, have. Preferably, the particles introduced into the tissue have substantially the same or a similar moment of inertia and the same or a similar magnetic moment. In this way, the spatial area where maximum heating occurs can be very narrowly limited. By a corresponding diversification of these properties, an expansion of tion of the spatial area with maximum warming can be achieved.
Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Partikel können unterschiedlich ausgestaltet sein. Wesentlich ist lediglich, dass sie ein vorgegebenes magnetisches Moment in der Form eines entsprechenden magnetischen Momentvektors aufweisen. Insbesondere umfassen die Partikel zur Generierung des magnetischen Moments ferro- oder ferrimagnetisches Material, z.B. Eisen und/oder Kobalt und/oder Fe2C>3 (in der als Maghe- mit bezeichneten Modifikation) und/oder Fe304 (auch als The particles used in the device according to the invention can be designed differently. It is only essential that they have a given magnetic moment in the form of a corresponding magnetic moment vector. In particular, the particles for generating the magnetic moment comprise ferromagnetic or ferrimagnetic material, for example iron and / or cobalt and / or Fe 2 C> 3 (in the modification denoted as Maghem) and / or Fe 3 O 4 (also as
Magnetit bezeichnet) . Die Partikel können gegebenenfalls nur aus diesen Materialien bestehen und somit nur eine Erwärmung des Gewebes bewirken. Gegebenenfalls besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Partikel einen medizinischen Wirkstoff tragen, der insbesondere als Hülle um den Kern des jeweiligen Partikels angeordnet ist. Die Hülle kann so gestaltet werden, dass sie den Wirkstoff vorzugsweise nur bei Erwärmung frei¬ setzt. Der Kern umfasst dabei vorzugsweise ein oder mehrere der oben genannten magnetischen Materialien und dient zur Erzeugung des magnetischen Moments des Partikels. Auf diese Weise kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur die lokale Erwärmung des Gewebes, sondern auch eine effiziente lokale Behandlung von krankhaftem Gewebe, insbesondere von Tumorgewebe, mit einen medizinischen Wirkstoff, insbesondere einem zellschädigenden Medikament (z.B. Zytostatika), erreicht werden. Der Körper wird damit mit erheblich weniger Wirkstoff belastet als bei einer üblichen systemischen Wirkstoffgäbe . Magnetite). If appropriate, the particles can only consist of these materials and thus only cause heating of the tissue. Optionally, however, there is also the possibility that the particles carry a medicinal agent, which is arranged in particular as a shell around the core of the respective particle. The shell can be designed so that it releases the active ingredient preferably only when heated ¬ . The core preferably comprises one or more of the above-mentioned magnetic materials and serves to generate the magnetic moment of the particle. In this way, with the device according to the invention not only the local heating of the tissue, but also an efficient local treatment of diseased tissue, in particular of tumor tissue, with a medicinal agent, in particular a cell damaging drug (eg cytostatics) can be achieved. The body is thus burdened with significantly less active ingredient than a conventional systemic Wirkstoffgäbe.
Um die Energieabsorption auf der Haut eines Patienten möglichst gering zu halten, umfasst die erfindungsgemäße Vor¬ richtung in einer weiteren Variante einen an sich bekannten Wasser-Bolus , der im Betrieb der Vorrichtung zwischen dem zu erwärmenden Gewebe und der zweiten Magnetfeldeinrichtung positioniert werden kann. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. In order to keep the energy absorption on the skin of a patient as low as possible, comprising the inventive Before ¬ direction in a further variant, a known water-bolus which can be positioned in the operation of the device between the tissue to be heated and the second magnetic field means. Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, welche die Behand¬ lung eines Patienten mit einer Aus führungs form der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung wiedergibt ; Figure 1 is a schematic representation showing the treatment of a patient treatment ¬ with a shape of the medical device according to the invention.
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf Flachspulen, wel¬ che in der Vorrichtung der Fig. 1 zur Generierung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfelds eingesetzt werden; und Fig. 2 is a schematic plan view of flat coils, wel ¬ che are used in the apparatus of Figure 1 for generating a high-frequency alternating magnetic field. and
Fig. 3 eine schematische Darstellung, welche die im Rahmen der Behandlung gemäß Fig. 1 erzeugten Magnetfelder im menschlichen Gewebe und die darin enthaltenen Nanopartikel verdeutlicht. FIG. 3 shows a schematic representation which illustrates the magnetic fields generated in the human tissue and the nanoparticles contained therein within the scope of the treatment according to FIG. 1.
Fig. 1 zeigt die Behandlung eines Patienten basierend auf ei¬ ner Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Patient P befindet sich dabei auf einer Patientenliege 7, und im Rahmen der Behandlung wird ein abgegrenzter Bereich seines Gewebes im rechten Bauchbereich mit Hilfe der nachfolgend be¬ schriebenen Vorrichtung erwärmt. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Elektromagneten 1 in der Form einer großen Magnetspule, welche an einem vertikalen Schenkel 3 drehbar befes¬ tigt ist. Der Schenkel ist dabei Teil eines Wagens 4, mit dem die Magnetspule hin zu der zu behandelnden Körperregion gefahren werden kann. Durch die Magnetspule wird ein zeitlich konstantes magnetisches Gradientenfeld erzeugt, dessen Feld¬ linien aus dem mit Bezugszeichen 2 bezeichneten Polschuh herauslaufen. Der Polschuh wird dabei unmittelbar benachbart zu der Hautregion positioniert, dessen darunter liegendes Gewebe erwärmt werden soll. Der Aufbau der Magnetfeldeinrichtung mit Magnetspule 1 und Polschuh 2 ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird herkömmlicherweise zum eingangs be¬ schriebenen Magnetic-Drug-Targeting verwendet. FIG. 1 shows the treatment of a patient based on an embodiment of the device according to the invention. The patient P is in this case on a patient bed 7, and in the context of the treatment, a defined area of its fabric in the right abdominal region using the following be written ¬ device is heated. The device in this case comprises an electromagnet 1 in the form of a large magnetic coil which ¬ is rotatably mounted on a vertical leg 3 buildin Untitled. The leg is part of a carriage 4, with which the magnetic coil can be driven towards the body region to be treated. By the magnetic coil a temporally constant magnetic gradient field is generated, the field ¬ lines run out of the pole shoe designated by reference numeral 2. The pole piece is thereby positioned immediately adjacent to the skin region whose underlying tissue is to be heated. The structure of the magnetic field device with magnetic coil 1 and pole piece 2 is in itself from the prior Technique known and is conventionally used for initially ¬ written magnetic drug targeting.
Im Rahmen der Behandlung werden dem Patienten über seine Blutbahn magnetische Partikel (sog. Nanopartikel ) mit Durch¬ messern im Bereich einiger Nanometer zugeführt. Diese Nanopartikel weisen ein vorgegebenes magnetisches Moment auf und bestehen beispielsweise aus Magnetit. In der hier beschriebe¬ nen Aus führungs form beinhalten die Partikel ferner eine Hülle mit medizinischem Wirkstoff, dessen Freisetzung durch lokale Erwärmung des entsprechenden Gewebebereichs beschleunigt bzw. erst ermöglicht wird. Über das magnetische Gradientenfeld der Magnetspule 1 wird dabei eine Anhäufung der Nanopartikel im zu erwärmendem Gewebebereich aufgrund der durch das Magnetfeld auf die Partikel wirkende Magnetkraft erreicht. Die Vor¬ richtung der Fig. 1 dient insbesondere zur Behandlung von Krebserkrankungen, wobei der Wirkstoff auf den Nanopartikeln vorzugsweise zellschädigende Medikamente (sog. Zytostatika) umfasst. Durch die lokale Anhäufung der Nanopartikel im krankhaften Gewebebereich und der anschließenden Erwärmung dieses Gewebebereichs kann eine sehr fokussierte Freisetzung des Medikaments ausschließlich in der kranken Geweberegion erreicht werden. As part of the treatment to the patient about his bloodstream magnetic particles (so-called. Nanoparticles) are supplied with through ¬ diameters in the range of a few nanometers. These nanoparticles have a given magnetic moment and consist for example of magnetite. In the embodiment described here, the particles also contain a shell with a medical active substance, the release of which is accelerated or only made possible by local heating of the corresponding tissue area. In this case, an accumulation of the nanoparticles in the tissue area to be heated is achieved via the magnetic gradient field of the magnetic coil 1 due to the magnetic force acting on the particles by the magnetic field. The pre ¬ direction of Fig. 1 is used in particular for the treatment of cancer, wherein the active ingredient to the nanoparticles, preferably cell-damaging drugs (so-called. Cytostatics) comprises. Due to the local accumulation of nanoparticles in the diseased tissue area and the subsequent warming of this tissue area, a very focused release of the drug can only be achieved in the diseased tissue region.
Die Erwärmung des Gewebebereichs wird m der Vorrichtung der Fig. 1 mit Hilfe von schematisch angedeuteten Hochfrequenzspulen 5 erreicht, welche auf der Patientenhaut oberhalb des kranken Gewebes positioniert werden. Die Spulen sind mit ei¬ nem Hochfrequenz-Generator 6 verbunden, durch den über die Spulen ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld generiert wird, das den Gewebebereich unterhalb der Spulen erwärmt. Die dargestellte Vorrichtung umfasst ferner einen Rechner 8 mit Monitor, wobei der Rechner zum einen eine Benutzerschnittstelle für medizinisches Bedienpersonal darstellt und zum an¬ deren die richtige Einstellung des hochfrequenten Magnetfelds ermittelt und basierend darauf den Hochfrequenzgenerator an¬ steuert . Im Unterschied zu bekannten Vorrichtungen zur Erwärmung von Gewebe ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr selektive Auswahl des Gewebebereichs, der erwärmt werden soll. Dies wird dadurch erreicht, dass die Nanopartikel, wel- che aufgrund des Magnetfelds der Magnetspule 1 sowie des mag¬ netischen Wechselfelds 5 ein schwingungsfähiges System bil¬ den, nur in denjenigen Geweberegionen mit ihrer Resonanzfrequenz schwingen, in denen die Erwärmung stattfinden soll. Im Falle der resonanten Rotationsschwingung der Partikel ist die Schwingungsamplitude am höchsten und somit die absorbierteThe heating of the tissue area is achieved in the device of FIG. 1 with the aid of schematically indicated radio-frequency coils 5 which are positioned on the patient's skin above the diseased tissue. The coils are connected to ei ¬ nem high-frequency generator 6, a high-frequency alternating magnetic field generated by the coil on which heats the tissue region below the coils. The illustrated device further comprises a computer 8 with a monitor, wherein the computer on the one hand represents a user interface for medical operating personnel and on the ¬ the correct setting of the high-frequency magnetic field determined and based on the high-frequency generator to ¬ controls. In contrast to known devices for heating tissue, the device according to the invention allows a very selective selection of the tissue area to be heated. This is achieved in that the nanoparticles WEL, che due to the magnetic field of the magnet coil 1 and the like ¬ netic alternating field 5 an oscillatory system bil ¬, swing only in those regions of tissue at its resonant frequency in which the heating is to take place. In the case of the resonant rotational vibration of the particles, the vibration amplitude is highest and thus the absorbed
Energie maximal, was zur größtmöglichen Erwärmung führt. Auf¬ grund der Tatsache, dass das magnetische Feld der Spule 1 mit zunehmendem Abstand von der Spule abnimmt und die Resonanzfrequenz unter anderem von der Stärke des Magnetfelds ab- hängt, kann über geeignete Wahl des eingestrahlten Hochfrequenzfelds der Ort im Gewebe festgelegt werden, an dem Reso¬ nanzschwingungen auftreten sollen. Das physikalische Prinzip der Anregung von Resonanzschwingungen für die im Gewebe befindlichen Nanopartikel wird weiter unten nochmals detail- liert anhand von Fig. 3 erläutert. Maximum energy, which leads to the greatest possible warming. On ¬ due to the fact that the magnetic field of the coil 1 decreases with increasing distance from the coil and the resonant frequency, inter alia, on the strength of the magnetic field off depends, can be fixed in the tissue over a suitable choice of the incident radio frequency field of the place where Reso ¬ nanzschwingungen should occur. The physical principle of the excitation of resonant vibrations for the nanoparticles present in the tissue will be explained in more detail below with reference to FIG.
Im Rahmen der Behandlung des Patienten kann das medizinische Personal über die Benutzerschnittstelle 8 in geeigneter Weise spezifizieren, in welcher Tiefe im Gewebe sich der krankhafte Bereich befindet. Basierend darauf errechnet dann die Vor¬ richtung automatisch diejenige Frequenz des magnetischen Hochfrequenzfelds, mit der in der spezifizierten Tiefe die Nanopartikel zu resonanten Schwingungen angeregt werden. Bei dieser Berechnung fließt ferner das Trägheitsmoment der ein- zelnen Partikel und deren magnetisches Moment ein. Entspre¬ chende Werte dieser Größen sind dabei in der Vorrichtung hinterlegt bzw. können gegebenenfalls auch durch das Bedienpersonal spezifiziert werden. In der Regel weisen die zugeführten Nanopartikel die gleiche bzw. eine ähnliche Größe auf, wodurch sichergestellt wird, dass die Erwärmung lokal be¬ grenzt ist. Durch entsprechende Variation der Trägheitsmomente und/oder magnetischen Momente der verwendeten Nanopartikel kann dabei in geeigneter Weise der Bereich, in dem die Erwärmung erfolgen soll, vergrößert bzw. verkleinert werden. As part of the treatment of the patient, the medical staff can specify via the user interface 8 in a suitable manner, at what depth in the tissue is the pathological area. Based on this, then calculated the pros ¬ direction automatically that frequency of high-frequency magnetic field, the nanoparticles are excited to resonant vibrations at the specified depth. In addition, the moment of inertia of the individual particles and their magnetic moment are included in this calculation. Entspre ¬ sponding values of these variables are stored in the device or may be specified by the operator if necessary. In general, the supplied nanoparticles have the same or a similar size, thereby ensuring that the heating is local be ¬ borders. By appropriate variation of the moments of inertia and / or magnetic moments of the nanoparticles used In this case, the area in which the heating is to take place can be enlarged or reduced in a suitable manner.
Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Draufsicht auf die in der Magnetfeldeinrichtung 5 der Fig. 1 verwendeten Flachspulen. Es werden dabei die beiden Flachspulen 5a und 5b verwendet, welche die Form von Kreisen aufweisen, die in einem Teilbereich jedoch abgeflacht sind. Insbesondere umfassen beide Spulen an ihren aufeinander zuweisenden Innenseiten einen geraden Spulenabschnitt, der in Fig. 1 in vertikaler Richtung verläuft. An diesen Abschnitt schließen sich entsprechende kreisförmige gebogene Abschnitte an, welche von einer Seite des geraden Abschnitts in die andere Seite des geraden Abschnitts laufen. Durch Pfeile AR wird die Strom- richtung in den jeweiligen Flachspulen wiedergegeben. Man erkennt dabei, dass die Stromrichtung in der linken Spule 5a entgegengesetzt zu der Stromrichtung in der rechten Spule 5b ist. Über das Paar von Spulen kann effizient ein magnetisches Wechselfeld dem Patientengewebe zugeführt werden, wobei die Magnetfeldlinien derart verlaufen, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu den Magnetfeldlinien der Magnetspule 1 der Fig. 1 sind, wie in der weiter unten beschriebenen Fig. 3 ersichtlich wird. Erfindungswesentlich ist dabei, dass das mit den Spulen 5a und 5b erzeugte magnetische Wechselfeld eine Mag- netfeldkomponente aufweist, welche senkrecht zu den Magnet¬ feldlinien des über die Magnetspule 1 erzeugten Magnetfelds ist, da ansonsten die Nanopartikel im Gewebe nicht zu Schwin¬ gungen angeregt werden können. Die Darstellung der Fig. 2 ist stark schematisiert. Insbesondere ist nicht ersichtlich, dass die einzelnen Windungen der jeweiligen Spulen untereinander verbunden sind, wodurch sich ein Verlauf der Windungen nach Art einer Spirale ergibt. Fig. 2 shows for clarity a plan view of the flat coils used in the magnetic field device 5 of Fig. 1. In this case, the two flat coils 5a and 5b are used which have the form of circles which, however, are flattened in a partial region. In particular, both coils comprise on their facing inner sides a straight coil section, which extends in Fig. 1 in the vertical direction. This section is followed by corresponding circular arcuate sections which run from one side of the straight section to the other side of the straight section. Arrows AR reflect the current direction in the respective flat coils. It can be seen that the current direction in the left coil 5a is opposite to the current direction in the right coil 5b. Via the pair of coils, an alternating magnetic field can be efficiently supplied to the patient tissue, wherein the magnetic field lines are such that they are substantially perpendicular to the magnetic field lines of the magnetic coil 1 of Fig. 1, as can be seen in the Fig. 3 described below. Is essential to the invention that the alternating magnetic field generated by the coils 5a and 5b having netfeldkomponente a MAG, which is perpendicular to the magnetic ¬ field lines of the magnetic field generated by the magnetic coil 1, because otherwise, the nanoparticles are not excited in the tissue to oscillations ¬ conditions can. The representation of FIG. 2 is highly schematic. In particular, it is not apparent that the individual turns of the respective coils are interconnected, resulting in a course of the turns in the manner of a spiral.
Fig. 3 zeigt im Schnitt eine Detailansicht des Polschuhs 2 aus Fig. 1 mit dem darunter liegenden Gewebe des behandelten Patienten. Dabei wird mit Bezugszeichen H die Haut des Pati¬ enten angedeutet. Das Gewebe des Patienten liegt somit unter¬ halb der als Linie wiedergegebenen Haut H. Aus Fig. 3 ist ferner die Spulenanordnung der Fig. 2 ersichtlich, welche nunmehr im Schnitt gezeigt ist. Man erkennt insbesondere am linken bzw. rechten Rand der Figur die äußeren Windungen der Spulen 5a bzw. 5b mit aus der Blattebene herauslaufender Stromrichtung. Ferner sind unterhalb des Polschuhs 2 die je¬ weils vier Wicklungen der geraden Spulenbereiche mit der in die Blattebene hineinlaufenden Stromrichtung ersichtlich. Die hier beschriebene Aus führungs form der Magnetfeldvorrichtung beinhaltet ferner einen schematisch angedeuteten Ferritring, der um die äußeren Windungen der Spulen herumläuft und mit Bezugszeichen 5c angedeutet ist. Die äußeren Windungen der Spulen können z.B. an der Unterseite des Ringkerns angeklebt werden. Mit dem Ferritring an der Spulenrückseite wird ein magnetischer Rückschluss gebildet, der das Hochfrequenz- Nutzfeld im Gewebe erhöht und auf der Rückseite teilweise ab¬ schirmt . Fig. 3 shows in section a detail view of the pole piece 2 of Fig. 1 with the underlying tissue of the treated patient. The skin of the Pati ¬ ducks with reference H is indicated. The patient's tissue is thus under ¬ half of reproduced as a line skin H. From Fig. 3 also the coil assembly of Fig. 2 can be seen, which is now shown in section. It can be seen in particular on the left or right edge of the figure, the outer turns of the coil 5a and 5b with out of the sheet plane outflow direction. Further, the ever ¬ weils four windings of the straight coil portions with the inside running in the plane of the sheet flow direction are shown below the pole piece. 2 The embodiment of the magnetic field device described here further includes a schematically indicated ferrite ring, which runs around the outer turns of the coils and is indicated by reference numeral 5c. The outer turns of the coils can be glued to the underside of the toroidal core, for example. With the ferrite ring on the back of the coil, a magnetic return is formed, which increases the high-frequency field of use in the tissue and partially shields on the back ¬ .
In Fig. 3 ist das Magnetfeld der Magnetspule 1 durch Feldli¬ nien Ml angedeutet, welche aus dem Polschuh 2 herauslaufen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur einige der Feldlinien mit dem Bezugszeichen Ml versehen. Die Magnetfeldlinien der Hochfrequenz-Spulen verlaufen demgegenüber in konzentrischen Kreisen und sind in Fig. 3 mit M2 bezeichnet, wobei aus Über¬ sichtlichkeitsgründen wiederum nicht alle Linien mit diesem Bezugszeichen versehen sind. Man erkennt aus Fig. 3 insbesondere, dass die Magnetfeldlinien des Gradientenfelds Ml im We¬ sentlichen senkrecht auf den Magnetfeldlinien des Wechselfelds M2 stehen. In Fig. 3 ist ferner beispielhaft ein im Rahmen der Erfindung verwendetes Nanopartikel gezeigt, das mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist. Das Nanopartikel um- fasst in der hier gezeigten Aus führungs form einen ferromagne- tischen Kern 9a, der vorzugsweise aus Fe3Ü4 (Magnetit) be¬ steht. Um den Kern 9a ist eine Hülle 9b angeordnet, welche einen entsprechenden medizinischen Wirkstoff enthält. In Fig. 3, the magnetic field of the magnetic coil 1 is indicated by Feldli ¬ nien Ml, which run out of the pole piece 2. For reasons of clarity, only some of the field lines are provided with the reference symbol Ml. The magnetic field lines of the high-frequency coils, in contrast, run in concentric circles and are designated in FIG. 3 by M2, wherein for reasons of clarity , not all lines are again provided with this reference symbol. It is seen from Fig. 3 in particular that the magnetic field lines of the gradient field are in Ml We ¬ sentlichen perpendicular to the magnetic field lines of the alternating field M2. FIG. 3 further shows by way of example a nanoparticle used in the context of the invention, which is designated by the reference numeral 9. The nanoparticle includes fully in the embodiment shown here disclosed embodiment, a ferromagnetic core tables 9a be ¬ is preferably made of Fe 3 Ü 4 (magnetite). Arranged around the core 9a is a sheath 9b which contains a corresponding medicinal active substance.
In Fig. 3 ist ferner eine Detailansicht DE des Nanopartikels 9 wiedergegeben. Man erkennt in dieser Detailansicht, dass das Nanopartikel ein magnetisches Moment m aufweist, das durch einen Pfeil wiedergegeben ist. Ferner ist durch den Ursprung des Nanopartikels ein Koordinatensystem mit einer x- und einer y-Achse angedeutet. Ohne magnetisches Wechselfeld richtet sich der Vektor des magnetischen Moments in Richtung der Feldlinien des Magnetfelds Ml aus. Die y-Achse verläuft dabei in Richtung einer Magnetfeldlinie des Felds Ml hin zum Polschuh 2. Das Nanopartikel bildet ein schwingungsfähiges System, welches durch Anlegen des hochfrequenten Wechselfelds M2 um die senkrecht zu dem Koordinatensystem verlaufende und sich in die Blattebene erstreckende Achse rotieren kann, was durch den gebogenen Doppelpfeil AR' angedeutet ist. Durch ei¬ ne Winkelauslenkung in Richtung des Pfeils AR' , welche durch das hochfrequente magnetische Feld hervorgerufen wird, erfah¬ ren die jeweiligen Partikel eine Rückstellkraft und ein damit verbundenes Drehmoment D, wobei der folgende, an sich bekann¬ te Zusammenhang zwischen Drehmoment D und dem magnetischen Momentvektor m bzw. dem Magnetfeldvektor B des zeitlich konstanten Magnetfelds Ml besteht: dD/da=mB (i) . FIG. 3 also shows a detailed view DE of the nanoparticle 9. It can be seen in this detailed view that the nanoparticle has a magnetic moment m, the is represented by an arrow. Furthermore, a coordinate system with an x and a y axis is indicated by the origin of the nanoparticle. Without a magnetic alternating field, the vector of the magnetic moment aligns in the direction of the field lines of the magnetic field M1. The y-axis runs in the direction of a magnetic field line of the field Ml towards the pole piece 2. The nanoparticle forms a vibratory system, which can rotate by applying the high-frequency alternating field M2 to the perpendicular to the coordinate system extending and extending in the plane of the plane, which is indicated by the curved double arrow AR '. By ei ¬ ne angular deflection in the direction of the arrow AR ', which is caused by the high-frequency magnetic field, the respective particles erfah ren ¬ a restoring force and a torque associated therewith D, wherein the following, known ¬ te relationship between torque D and the magnetic moment vector m or the magnetic field vector B of the temporally constant magnetic field Ml consists of: dD / da = mB (i).
Da jedes Partikel ein Trägheitsmoment aufweist, ergibt sich hieraus in an sich bekannter Weise die Resonanzfrequenz für die Rotationsschwingung dieses schwingungsfähigen Systems wie folgt: f=l/27t(mB/j)1/2 (2) . Since each particle has a moment of inertia, the resonant frequency for the rotational vibration of this oscillatory system results from this in a manner known per se, as follows: f = 1 / 27t (mB / j) 1/2 ( 2 ).
J bezeichnet dabei das Trägheitsmoment. Da die Partikel nähe- rungsweise Kugeln sind, kann das Trägheitsmoment basierend auf dem Radius des jeweiligen Partikels wie folgt ermittelt werden : J denotes the moment of inertia. Since the particles are approximately balls, the moment of inertia can be determined based on the radius of each particle as follows:
J=mpr2/2,5 (3) . J = m p r 2 / 2.5 (3) .
Dabei bezeichnet m die Masse des jeweiligen Partikels und r den Radius desselben. In der hier beschriebenen Vorrichtung kann für verschiedene Tiefen im Gewebe in an sich bekannter Weise die Größe B des radial in Richtung weg vom Polschuh abfallenden Magnetfelds Ml bestimmt werden. Ein Benutzer kann dabei über die Benutzerschnittstelle 8 der Fig. 1 eine Tiefe im Gewebe mit maxi¬ maler Erwärmung spezifizieren. Aus dieser Tiefe kann dann die Größe B des Magnetfelds Ml an diesem Ort ermittelt werden. Hieraus ergibt sich dann mit der obigen Gleichung (2) die Resonanzfrequenz, da das magnetische Moment und das Trägheits¬ moment des Partikels bekannt sind. Mit dieser Resonanzfre¬ quenz wird dann der Hochfrequenzgenerator 6 betrieben, wodurch die Winkelamplitude des Partikels und damit die Ener¬ gieabsorption genau in der von dem Benutzer spezifizierten Tiefe maximal werden. Durch geeignete Abstimmung der Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfelds M2 können so der Ort der Reso¬ nanz und die Tiefe maximaler Erwärmung eingestellt werden. Es eröffnet sich somit ein neuer therapeutischer Freiheitsgrad durch die gezielte lokalisierte Anwendung der Hyperthermie. In Fig. 3 ist beispielhaft ein Bereich A mit maximaler Energieabsorption angedeutet, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden kann. Man erkennt, dass sehr gezielt nur bestimmte Gewebebereiche erwärmt werden können und auch nur in diesen Bereichen zellzerstörende Medikamente einge¬ bracht werden können. Where m denotes the mass of the respective particle and r the radius of the same. In the device described here, the size B of the magnetic field Ml falling radially away from the pole piece can be determined for different depths in the tissue in a manner known per se. A user can specify a depth in the tissue with maximum cal heating via the user interface 8 of FIG. 1. From this depth, the size B of the magnetic field Ml can then be determined at this location. This then results in the above equation (2), the resonant frequency, since the magnetic moment and the inertia ¬ moment of the particle are known. With this Resonanzfre acid sequence of the high frequency generator 6 is then operated, whereby the angular amplitude of the particle and thus the Ener ¬ gieabsorption be maximally exactly in the specified by the user depth. By appropriate adjustment of the frequency of the high frequency magnetic field M2 as the place of Reso ¬ resonance and depth max heating can be set. This opens up a new therapeutic degree of freedom through the targeted localized application of hyperthermia. In FIG. 3, by way of example, a region A with maximum energy absorption is indicated, which can be generated by the device according to the invention. It is apparent that very targeted only certain areas of tissue can be heated and even in these areas, cell-destroying drugs can be brought ¬.
Im Folgenden wird beispielhaft abgeschätzt, in welchem Be¬ reich die Frequenzen des Hochfrequenzfelds eingestellt werden müssen, um für an sich bekannte Magnetitpartikel mit und ohne Wirkstoffhülle eine Resonanz in einer Gewebetiefe von bis zu 50 mm zu erreichen. Es wird dabei von Magnetitpartikeln ausgegangen, deren Magnetitkern folgende Eigenschaften aufweist: In the following is estimated by way of example, in which loading the frequencies of the high-frequency field must be set ¬ rich, in order to achieve resonance in a tissue depth of up to 50 mm for known itself magnetite particles with and without active substance envelope. It is based on magnetite particles whose magnetite core has the following properties:
Der Radius r des Magnetitkerns liegt zwischen 2,5 und 25 nm; die Dichte des Kerns liegt bei 5200 kg/m3; The radius r of the magnetite core is between 2.5 and 25 nm; the density of the core is 5200 kg / m 3 ;
die Magnetisierung des Kerns beträgt 500 kA/m; the magnetization of the core is 500 kA / m;
das Volumen V des Kerns liegt zwischen 6,5X10~26 und the volume V of the core is between 6.5 X 10 ~ 26 and
6, 5X10~23 m3 ; die Masse des Kerns liegt zwischen 3,4X10 und 3,4X10 kg; das magnetische Moment m liegt zwisehen 3, 3X 1(T20 und 6, 5 X 10 ~ 23 m 3 ; the mass of the core is between 3.4 X 10 and 3.4 X 10 kg; the magnetic moment m is between 3, 3 X 1 (T 20 and
3, 3X1(T17 Am2 ; Im Falle, dass das Magnetpartikel eine Wirkstoffhülle auf¬ weist, liegt der Radius des Partikels zwischen 10 und 100 nm und die Dichte der Hülle beträgt 1000 kg/m3. 3, 3 X 1 (T 17 Am 2; In the case that the magnetic particles have a drug sheath on ¬ has, is the radius of the particle between 10 and 100 nm, and the density of the shell is 1000 kg / m 3.
Aus den obigen Größen ergibt sich mit der Formel (3) für ein näherungsweise kugelförmiges Nanopartikel ohne Hülle einFrom the above variables, formula (3) yields an approximately spherical nanoparticle without a shell
Trägheitsmoment J zwisehen 8, 5X 10~40 und 8, 5X 10~35 kgm2. Für ein Nanopartikel mit Wirkstoffhülle liegt das Trägheitsmoment zwischen l,7x10~37 und 1,7X10~32 kgm2. Mit der obigen Formel (3) ergibt sich somit für ein Magnetit¬ partikel ohne Hülle folgender Frequenzbereich für die Resonanzfrequenz, wobei T die Einheit Tesla bezeichnet: f=(1000 ... 100) B1/2 MHz/T1/2. Moment of inertia J between 8, 5 X 10 ~ 40 and 8, 5 X 10 ~ 35 kgm 2 . For a nanoparticle with active ingredient case the moment of inertia is between l, 7 x 10 37 and 1.7 X 10 ~ 32 kgm. 2 F = (1000 ... 100) B 1/2 MHz / T 1/2: by the above formula (3), this results in a ¬ magnetite particle without shell following frequency range for the resonance frequency, where T is the unit Tesla.
Für ein Magnetitpartikel mit Hülle lautet der Frequenzbereich hingegen wie folgt: f= (72 ... 7, 2) B1/2 MHz/T1/2. For a magnetite particle with a shell, the frequency range is as follows: f = (72 ... 7, 2) B 1/2 MHz / T 1/2 .
Geht man von üblichen Feldern um die Magnetspitze des Pol¬ schuhs 2 im Bereich von 0,1 bis 1 Tesla aus (entspricht einer räumlichen Tiefe zwischen 0 und 50 mm) , muss die Hochfrequenz des Magnetfelds im MHz-Bereich liegen, um die Partikel mit der Resonanzfrequenz schwingen zu lassen. Assuming conventional fields around the magnetic tip of the Pol ¬ shoe 2 in the range of 0.1 to 1 Tesla (corresponds to a spatial depth between 0 and 50 mm), the high frequency of the magnetic field must be in the MHz range to the particles with to vibrate the resonant frequency.
Die im Vorangegangenen beschriebene Aus führungs form einer medizinischen Vorrichtung ist lediglich beispielhaft und kann Variationen unterliegen. Insbesondere kann alternativ zur Gestaltung der Magnetfeldeinrichtung 5 in der Form von The embodiment of a medical device described above is merely exemplary and may be subject to variations. In particular, as an alternative to the design of the magnetic field device 5 in the form of
Flachspulen auch ein Array aus Hochfrequenz-Antennen oder eine einzelne Hochfrequenz-Antenne eingesetzt werden. Vor¬ zugsweise sind dabei Amplitude und Phasenlage jeder Antenne einstellbar, um somit eine Fokussierung des hochfrequenten Felds am gewünschten Ort der Erwärmung zu erreichen. Flat coils also use an array of radio frequency antennas or a single radio frequency antenna. Before ¬ preferably are amplitude and phase of each antenna adjustable so as to achieve a focusing of the high-frequency field at the desired location of the heating.
In der Aus führungs form der Fig. 1 werden die Flachspulen direkt auf die Körperoberfläche des Patienten aufgelegt. Es ist jedoch auch möglich, die Flachspulen in einem gewissen Abstand von beispielsweise 5 bis 20 cm vom Körper entfernt zu platzieren, wobei der Raum zwischen den Flachspulen und dem Patientenkörper gegebenenfalls mit einem an sich bekannten Wasser-Bolus ausgefüllt werden kann. Die Ankopplung der hochfrequenten Strahlung über einen Wasser-Bolus verringert dabei den Energieabsorptionswert (sog. SAR-Wert, SAR = Speci¬ fic Absorption Rate) an der Körperoberfläche erheblich, womit letztlich eine größere Hochfrequenz-Leistung in den menschlichen Körper eingebracht werden kann, ohne gesundes Gewebe zu schädigen . In the embodiment of FIG. 1, the flat coils are placed directly on the body surface of the patient. However, it is also possible to place the flat coils at a certain distance of, for example, 5 to 20 cm from the body, wherein the space between the flat coils and the patient's body can optionally be filled with a known water bolus. The coupling of high frequency radiation through a water bolus thereby reduces the energy absorption value (so-called. SAR, SAR = Speci ¬ fic absorption rate) substantially at the body surface, whereby a larger high-frequency power into the human body can ultimately be incorporated without damage healthy tissue.
Die im Vorangegangenen beschriebene Erfindung weist eine Rei¬ he von Vorteilen auf. Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung eine Tiefenselektion der maximalen Energieabsorption, so dass gezielt bestimmte Gewebebereiche, wie z.B. tiefer liegende Tumore, behandelt werden können, wenn magnetische Nanoparti- kel mit einem Wirkstoff verwendet werden, der nur dann abge¬ ben wird, wenn die Nanopartikel einem hochfrequenten Magnet¬ feld ausgesetzt werden, bzw. dessen Toxizität mit zunehmender Temperatur stark ansteigt. Die durch ein stark ansteigendes Gradientenfeld bevorzugt nahe der Körperoberfläche angerei¬ cherten Partikel setzen demnach keinen Wirkstoff frei bzw. entfalten keine toxische Wirkung, wenn in diesen Bereichen keine Resonanz auftritt. Damit erfolgt auch keinerlei Schädi¬ gung des Gewebes, und die Partikel mit Wirkstoff werden aus diesem oberflächennahen Bereich wieder aus dem Körper ausgeschieden. Das magnetische Gradientenfeld kann in diesem Fall hinsichtlich Langreichweitigkeit optimiert werden, d.h. das Gradientenfeld kann - abhängig von der Breite der Resonanzab¬ sorption - eventuell flacher in dem zu behandelnden Gewebebereich abfallen und dann auch tiefer liegende Tumore erreichen . The invention described above has a Rei¬ hey of advantages. In particular, the device allows a depth selection of the maximum energy absorption, so that target specific tissue areas, such as tumors deeper can be treated, when magnetic nanoparticles are used with a drug which is only abge ¬ ben if the nanoparticles a high frequency Magnet ¬ field are exposed, or its toxicity increases sharply with increasing temperature. The preferred near the body surface angerei ¬ cherten through a strongly rising gradient particles will therefore no active ingredient free or unfold no toxic effect, when no resonance occurs in these areas. So is also no material injury ¬ supply of the tissue and the particles with active substance are excreted from the body in this region near the surface. The magnetic gradient field can be optimized in this case in terms of long-range, ie the gradient field may - depending on the width of the Resonanzab ¬ sorption - possibly fall off flatter in the tissue area to be treated and then reach deeper tumors.

Claims

Patentansprüche claims
1. Medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe, umfassend: A medical device for heating human or animal tissue, comprising:
- eine erste Magnetfeldeinrichtung (1, 2) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds (Ml) im zu erwärmenden Gewebe, wo¬ bei das erste Magnetfeld (Ml) ein zeitlich konstantes Gradientenfeld ist; - A first magnetic field device (1, 2) for generating a first magnetic field (Ml) in the tissue to be heated, where ¬ in the first magnetic field (Ml) is a temporally constant gradient field;
eine zweite Magnetfeldeinrichtung (5, 6) zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds im zu erwärmenden Gewebe, wobei das zweite Magnetfeld (M2) zeitlich mit einer Frequenz variiert ;  a second magnetic field device (5, 6) for generating a second magnetic field in the tissue to be heated, wherein the second magnetic field (M2) varies in time with a frequency;
wobei die erste und zweite Magnetfeldeinrichtung (1, 2 ; 5, 6) derart zueinander positionierbar sind, dass das zweite Magnetfeld (M2) im zu erwärmenden Gewebe eine Mag¬ netfeldkomponente senkrecht zum ersten Magnetfeld (Ml) aufweist, wodurch Partikel (9), welche ein magnetisches Moment (m) aufweisen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, in Rotationsschwin- gungen versetzt werden, wobei die Partikel (9) jeweils ein schwingungsfähiges System mit einer Resonanzfrequenz bilden, welche vom Betrag des ersten Magnetfelds (Ml) am Ort des jeweiligen Partikels (9) sowie dem Trägheitsmo¬ ment und dem magnetischen Moment (m) des jeweiligen Par- tikels (9) abhängt; wherein the first and second magnetic means (1, 2; 5, 6) are positionable one another such that the second magnetic field (M2) in the tissue to be heated has a Mag ¬ netfeldkomponente perpendicular to the first magnetic field (Ml), which particles (9), which have a magnetic moment (m) and are introduced into the tissue to be heated during operation of the device, are vibrated in rotation, the particles (9) each forming a vibratory system with a resonant frequency which depends on the magnitude of the first magnetic field (Ml ) depends on the location of the respective particle (9) and the Trägheitsmo ¬ ment and the magnetic moment (m) of each particle (9);
eine Benutzerschnittstelle (8), über welche ein Bereich (A) maximaler Erwärmung im zu erwärmenden Gewebe mit darin eingebrachten Partikeln spezifizierbar ist;  a user interface (8) via which an area (A) of maximum heating in the tissue to be heated with particles introduced therein can be specified;
wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit von dem magnetischen Moment (m) und dem wherein the device is designed such that in dependence on the magnetic moment (m) and the
Trägheitsmoment der Partikel (9) die Frequenz des zweiten Magnetfelds (M2) und/oder der Betrag des ersten Magnet¬ felds (Ml) über die Benutzerschnittstelle (8) derart ein¬ gestellt werden, dass die Partikel (9) im spezifizierten Bereich (A) im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz schwingen . Moment of inertia of the particles (9) the frequency of the second magnetic field (M2) and / or the amount of the first magnetic ¬ field (Ml) via the user interface (8) in such a ¬ be found that the particles (9) (within the specified range A ) oscillate substantially at the resonant frequency.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Magnetfeld (M2 ) im Wesentlichen Senkrecht auf dem ersten Magnetfeld (Ml) steht . 2. Device according to claim 1, wherein the second magnetic field (M2) is substantially perpendicular to the first magnetic field (Ml).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei festem ersten Magnetfeld (Ml) die Frequenz des zweiten Magnetfeldes (M2) eingestellt wird, um die Partikel (9) im über die Benutzerschnittstelle (8) spezifizierten Bereich (A) mit der Resonanzfrequenz schwingen zu lassen. 3. Device according to claim 1 or 2, wherein the device is designed such that at fixed first magnetic field (Ml), the frequency of the second magnetic field (M2) is adjusted to the particles (9) in the user interface (8) specified range (A) vibrate at the resonant frequency.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Benutzerschnittstelle (8) spezifizierbar ist, welche Partikel (9) in dem zu erwärmende Gewebe eingebracht sind. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that via the user interface (8) can be specified, which particles (9) are introduced into the tissue to be heated.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetfeldeinrichtung (1, 2) ein erstes Magnetfeld (Ml) mit sich räumlich verändernden magnetischen Feldstärken im Bereich zwischen 0,05 Tesla und 5 Tesla, insbesondere zwischen 0,1 und 1 Tesla, erzeugen kann. 5. Device according to one of the preceding claims, wherein the first magnetic field device (1, 2) a first magnetic field (Ml) with spatially varying magnetic field strengths in the range between 0.05 Tesla and 5 Tesla, in particular between 0.1 and 1 Tesla, can generate.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetfeldeinrichtung (1, 2) einen Elektromagneten (1) mit einem benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positi¬ onierbaren Polschuh (2) umfasst. 6. Device according to one of the preceding claims, wherein the first magnetic field device (1, 2) comprises an electromagnet (1) with an adjacent to the tissue to be heated positi ¬ onierbaren pole piece (2).
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei de die zweite Magnetfeldeinrichtung (5, 6) eine oder mehrere, über einen Hochfrequenz-Generator (6) betriebene Hochfrequenz-Antennen umfasst, welche benachbart zu dem zu erwärmen¬ den Gewebe positionierbar sind, wobei vorzugsweise die Ampli¬ tude und Phase des von der oder den Hochfrequenz-Antennen erzeugten Magnetfelds einstellbar ist. 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the second magnetic field device (5, 6) comprises one or more, via a high-frequency generator (6) operated high-frequency antennas, which are adjacent to be heated ¬ position the tissue, wherein preferably the Ampli tude ¬ and phase of the magnetic field generated by the one or more high-frequency antenna is adjustable.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Magnetfeldeinrichtung (5, 6) eine oder mehrere, über einen Hochfrequenz-Generator (6) betriebene Hochfre- quenz-Spulen (5a, 5b) umfasst, welche benachbart zu dem zu erwärmenden Gewebe positionierbar sind. 8. Device according to one of the preceding claims, wherein the second magnetic field device (5, 6) one or more, via a high-frequency generator (6) operated Hochfre- quency coils (5a, 5b) which are positionable adjacent to the tissue to be heated.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das oder die Hochfrequenz-Spulen eine oder mehrere, im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Flachspulen (5a, 5b) umfassen, wobei die 9. Device according to claim 8, wherein the one or more high-frequency coils comprise one or more flat coils (5a, 5b) arranged substantially in one plane, wherein the
Flachspulen (5a, 5b) insbesondere ein oder mehrere Paare von nebeneinander angeordneten Flachspulen (5a, 5b) bilden, wobei im Betrieb der Flachspulen (5a, 5b) vorzugsweise die Strom¬ richtung der einen Flachspule (5a, 5b) eines jeweiligen Paars entgegengesetzt zur Stromrichtung der anderen Flachspule (5a, 5b) des jeweiligen Paars ist. Flat coils (5a, 5b) in particular one or more pairs of flat coils (5a, 5b) arranged side by side, wherein during operation of the flat coils (5a, 5b) preferably the current ¬ direction of a flat coil (5a, 5b) of a respective pair opposite to Current direction of the other flat coil (5a, 5b) of the respective pair.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, wobei die zweite Magnetfeldeinrichtung (5, 6) einen Ferritkern (5c) umfasst, insbesondere in der Form eines Ferritrings. 10. Device according to one of the preceding claims, wherein the second magnetic field means (5, 6) comprises a ferrite core (5c), in particular in the form of a ferrite ring.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (8), welche ein magnetisches Moment aufwei¬ sen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, eine maximale räumliche Ausdehnung zwischen 1 nm und 200 nm, insbesondere zwischen 2 und 100 nm und vorzugsweise zwischen 2 und 25 nm aufweisen. 11. Device according to one of the preceding claims, wherein the particles (8) which aufwei ¬ sen a magnetic moment and are introduced during operation of the device in the tissue to be heated, a maximum spatial extent between 1 nm and 200 nm, in particular between 2 and 100 nm and preferably between 2 and 25 nm.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (8), welche ein magnetisches Moment (m) auf¬ weisen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, im Wesentlichen das gleiche oder ein ähnliches Trägheitsmoment sowie das gleiche oder ein ähnli¬ ches magnetisches Moment (m) aufweisen. 12. Device according to one of the preceding claims, wherein the particles (8) having a magnetic moment (m) are incorporated on ¬ wise and in the operation of the device in the tissue to be heated, substantially the same or similar moment of inertia and the same or comprise a ähnli ¬ ches magnetic moment (m).
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (9), welche ein magnetisches Moment (m) auf¬ weisen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, Eisen und/oder Kobalt und/oder Fe2Ü3 und/oder Fe3Ü4 umfassen. 13. Device according to one of the preceding claims, wherein the particles (9), which have a magnetic moment (m) on ¬ and are introduced in the operation of the device in the tissue to be heated, iron and / or cobalt and / or Fe 2 Ü 3 and / or Fe 3 Ü 4 .
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, wobei die Partikel (9), welche ein magnetisches Moment (m) aufwei¬ sen und im Betrieb der Vorrichtung im zu erwärmenden Gewebe eingebracht sind, einen medizinischen Wirkstoff tragen, der insbesondere als Hülle um das jeweilige Partikel (9) angeord¬ net ist. 14. Device according to one of the preceding claims, wherein the particles (9), which aufwei ¬ sen a magnetic moment (m) and are introduced during operation of the device in the tissue to be heated wear a medical drug, in particular as a shell to the respective Particle (9) angeord ¬ net is.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Wasser-Bolus umfasst, der im Be¬ trieb der Vorrichtung zwischen dem zu erwärmenden Gewebe und der zweiten Magnetfeldeinrichtung (5, 6) positioniert werden kann . 15. Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises a water bolus, which can be positioned in Be ¬ operation of the device between the tissue to be heated and the second magnetic field device (5, 6).
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