DISPOSITIVO DE APLICACIóN DE HIPERTERMIA MAGNéTICA

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA INVENCIóN

El objeto principal de Ia presente invención es un dispositivo para Ia aplicación de hipertermia magnética.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

La hipertermia magnética es un fenómeno de absorción de energía en materiales feπomagnéticos nanoestructurados, usualmente nanopartículas magnéticas suspendidas en coloides magnéticos (ferrofluidos), cuando son sometidos a un campo magnético alterno. Por razones de tipo histórico, usualmente se da el nombre de hipertermia magnética a Ia sobreelevación de temperatura inducida en tejidos a los que se han aplicado materiales ferromagnéticos cuando se exponen a campos electromagnéticos alternos. Un creciente número de aplicaciones de este fenómeno han sido propuestas en el campo de Ia investigación biomédica.

La hipertermia con microondas ya es utilizada como terapia complementaria de Ia radioterapia en procesos de regresión tumoral, debido a los efectos sinérgicos de ambos tratamientos. El fundamento biológico de las terapias hipertérmicas se relaciona con Ia situación de hipoxia de regiones tumorales que causa una menor sensibilidad de las células neoplásticas a Ia radioterapia, y una mayor sensibilidad a Ia hipertermia. Para lograr el aumento de temperatura deseado, el proceso de hipertermia puede involucrar radiación láser, radiaciones ionizantes y/o microondas. Aunque estas técnicas son capaces de elevar Ia temperatura celular, tienen efectos colaterales indeseados, como ionización del material genético o falta de selectividad.

La hipertermia con fluidos magnéticos presenta gran interés, pues sugiere

Ia posibilidad de terapias no invasivas y de alta selectividad. Consiste en Ia citólisis de los tejidos a través de hipertermia local, por medio de Ia aplicación remota de un campo magnético alterno sobre nanopartículas magnéticas previamente ligadas/incorporadas en las células del paciente. Desde el punto de vista de Ia física, Ia hipertermia con fluidos magnéticos está relacionada con Ia disipación de energía cuando un material ferromagnético es sometido a un campo magnético alterno, en particular debido a pérdidas magnéticas (pérdidas de Néel) y a Ia disipación de energía debida a Ia rotación de las nanopartículas (pérdidas de Brown).

Un dispositivo de aplicación de hipertermia según Ia técnica anterior se define, por ejemplo, en Ia solicitud de patente US 2003/0032995, en Ia que una bobina se arrolla alrededor de un núcleo magnético de forma aproximadamente rectangular de sección cuadrada que comprende un entrehierro en uno de sus lados. Cuando se alimenta Ia bobina con una intensidad alterna aparece un flujo magnético alterno en el núcleo y, por tanto, un campo magnético alterno en el entrehierro, donde se introduce Ia parte del cuerpo del paciente que se desea tratar.

Otro ejemplo se describe en el documento "Cellular level loading and heating of superparamagnetic iron oxide nanoparticles", de Venkat S. Kalambur et al., Longmuir 2007, 23, pags. 12329-12336. En este caso el dispositivo de aplicación de hipertermia no está dirigido a pacientes sino a muestras para Ia realización de ensayos. El dispositivo consiste únicamente en una bobina que se alimenta con una intensidad alterna. Se crea así un campo magnético alterno longitudinal en el interior de Ia bobina donde se introduce Ia muestra.

Un inconveniente de los dispositivos de Ia técnica anterior es que para generar un campo magnético de una potencia suficiente como para producir el efecto de Ia hipertermia en las partículas magnéticas se requiere aplicar una elevada intensidad alterna al inductor o bobina arrollado alrededor del núcleo

magnético, lo cual implica el uso una fuente de potencia de gran tamaño. Además, cables y otros elementos del circuito deben estar adaptados al paso de grandes corrientes. Además, Ia elevada potencia del campo magnético generado provoca que una gran parte del mismo esté fuera de Ia región de trabajo, y por tanto existe peligro de que alcancen al usuario. En Ia técnica anterior, se suele utilizar una cubierta de gran tamaño para mantener al usuario alejado de los campos magnéticos.

Otro inconveniente suele ser los sistemas de medida de temperatura utilizados en Ia técnica anterior con frecuencia no proporcionan resultados suficientemente precisos.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

Así, un objeto de Ia presente invención es proporcionar un dispositivo de hipertermia magnética de funcionamiento sencillo que sea capaz de generar campos magnéticos de gran intensidad pero cuyos elementos no deban soportar grandes corrientes.

Otro objeto de Ia presente invención es mejorar Ia seguridad del usuario con relación a su exposición a campos magnéticos de elevada intensidad.

Otros objetos de Ia presente invención están dirigidos en general a mejoras en dispositivos de hipertermia magnética.

Un dispositivo de hipertermia es un dispositivo capaz de generar un campo magnético alterno en una zona específica preparada para recibir una muestra, denominada en el presente documento "región de trabajo", El término "muestra" hace referencia a cualquier objeto al que se aplica dicho tratamiento de hipertermia, incluyendo soluciones magnéticas para realizar ensayos, cultivos celulares, animales o partes del cuerpo de un paciente humano. Se puede suponer, como es conocido en Ia técnica, que o bien Ia muestra posee

propiedades magnéticas, o bien ha sido tratada previamente con algún material que las posee.

Así, de acuerdo con un aspecto de Ia presente invención, se describe un dispositivo de aplicación de hipertermia magnética para aplicar un tratamiento de hipertermia a una muestra, que comprende:

a) Un tanque resonante LC

Se trata de una bobina y un condensador conectados en paralelo, conjunto que en el presente documento se denominará "tanque LC". En esta primera realización, Ia región de trabajo está situada en el interior de Ia bobina del tanque LC. Es bien conocida en Ia técnica Ia propiedad de este circuito para generar corrientes elevadas en su interior debido a fenómenos de resonancia cuando se Ie aplica una tensión alterna de una frecuencia aproximadamente igual a su frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia, por definición, es Ia frecuencia a Ia cual las componentes reactivas de las impedancias del condensador y de Ia bobina se anulan. En el tanque resonante LC de Ia invención, Ia frecuencia de resonancia viene dada por Ia expresión:

1

/ =

^2π S¡ ^L tanque ^C , tanque

donde L _t anque y Conque son respectivamente Ia inductancia de Ia bobina y Ia capacidad del condensador.

Así, cuando se aplica al tanque LC una tensión alterna cuya frecuencia está cercana a su frecuencia de resonancia, se anulan las componentes reactivas de Ia bobina y del condensador, quedando sólo, visto desde fuera, sus resistencias de pérdidas. De este modo, a una frecuencia cercana a Ia de resonancia, el campo en generado por Ia bobina del tanque LC, Ia tensión en bornes del tanque LC y Ia corriente que pasa por dentro del tanque son

máximas, mientras que Ia corriente que circula a través del tanque LC (es decir, a través del resto del circuito), es mínima. Este hecho presenta Ia ventaja de que se puede alimentar Ia bobina del tanque LC con intensidades elevadas, obteniéndose campos magnéticos también de valor elevado, sin Ia necesidad de disponer de un circuito de excitación preparado para soportar grandes intensidades, evitándose los inconvenientes en cuanto a coste y complejidad que ello conlleva. En el presente documento se denominará "primer condensador" y "primera bobina", respectivamente, al condensador y a Ia bobina que conforman el tanque LC

b) Una fuente de tensión alterna de frecuencia variable

Esta fuente de tensión alterna, conectada al tanque resonante LC, aplica al mismo una tensión alterna cuya frecuencia está cercana a Ia frecuencia de resonancia de dicho tanque LC. De este modo se maximiza el efecto explicado anteriormente, es decir, con una intensidad baja o moderada a través de Ia fuente se consiguen intensidades muy elevadas dentro del tanque LC, y por tanto a través de Ia bobina, consiguiéndose así un campo magnético en el interior de Ia bobina de intensidad elevada. En particular, de acuerdo con una realización preferida de Ia invención, Ia frecuencia de Ia tensión generada por Ia fuente de tensión alterna de frecuencia variable está entre 200 kHz y 1 MHz.

c) Un medio de control

La frecuencia de resonancia del tanque LC puede variar debido a cambios en los parámetros del primer condensador o de Ia primera bobina, debido a Ia temperatura o a otras condiciones. Por este motivo, el dispositivo de Ia invención comprende además un medio de control, conectado al tanque LC y a Ia fuente de tensión alterna, que modifica Ia frecuencia de Ia tensión generada por Ia fuente de tensión alterna para mantenerla en todo momento entre el 99% y el 101% de Ia frecuencia de resonancia del tanque LC.

Además de controlar Ia frecuencia, el medio de control ajusta también Ia amplitud de Ia tensión generada por Ia fuente de tensión alterna en función de Ia intensidad de campo magnético que el usuario desea aplicar a Ia muestra, y que puede seleccionar utilizando medios de interfaz adecuados.

Ejemplos de medios de control incluyen microcontroladores, microprocesadores, FPGA's, DSP's o ASICs programados de forma adecuada, entre otros.

Es posible que, para determinadas aplicaciones, se requiera un campo magnético alterno a una frecuencia distinta de Ia frecuencia de resonancia del tanque LC de un dispositivo de aplicación de hipertermia particular. Si Ia frecuencia de resonancia del tanque LC fuese invariable, al modificar Ia frecuencia de Ia tensión de Ia fuente de tensión variable para obtener un campo magnético de Ia frecuencia deseada en el interior de Ia primera bobina, el tanque LC dejaría de funcionar a su frecuencia de resonancia, desaprovechándose así Ia principal ventaja de esta topología. Por este motivo, en una realización preferida más de Ia invención el primer condensador del tanque LC tiene capacidad variable. La modificación de Ia capacidad C del primer condensador, de acuerdo con Ia ecuación mostrada anteriormente, permite modificar el valor de Ia frecuencia de resonancia del tanque LC, Io que a su vez posibilita que el dispositivo de aplicación de hipertermia funcione de manera óptima a diferentes frecuencias.

En otra realización preferida, Ia fuente de tensión alterna de frecuencia variable está formada por una fuente de tensión continua conectada a un inversor. En particular, de acuerdo con una realización preferida más de Ia invención, el inversor comprende un circuito tipo medio puente, formado por dos transistores cuyo disparo es controlado por un dispositivo de generación de pulsos, y un circuito serie LC, formado por una segunda bobina y un segundo condensador. La segunda bobina funciona como un elevador de tensión, mientras que el segundo condensador sirve para eliminar Ia componente de

frecuencia cero, es decir, de corriente continua. Así, en esta realización, el medio de control modula Ia frecuencia y amplitud de los pulsos generados por el dispositivo de generación de pulsos de modo que Ia frecuencia de Ia tensión de salida sea en todo momento parecida a Ia frecuencia de resonancia del tanque LC.

En realizaciones preferidas de Ia invención, los valores de Ia capacidad del segundo condensador y de Ia inductancia de Ia segunda bobina están, respectivamente, entre 100 nF y 1 μF y entre 10 μHy y 200 μHy.

Otra realización particular, el dispositivo de aplicación de hipertermia de Ia invención comprende además:

d) Al menos una pieza de alta permeabilidad magnética

Se trata de una pieza fabricada en cualquier material con propiedades magnéticas a las frecuencias de trabajo, es decir, debe presentar alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas magnéticas a frecuencias de trabajo (200 kHz-1 MHz). Ejemplos de materiales adecuados son ferritas dopadas con zirconio o manganeso, o Mu metal (aleación de níquel, hierro, cobre y molibdeno).

Disponiendo una pieza de alta permeabilidad magnética en el dispositivo se consigue modificar Ia geometría del campo magnético creado por Ia primera bobina. Simulando o calculando Ia geometría del campo magnético correspondiente a cada forma y posición de Ia pieza o piezas de alta permeabilidad magnética se pueden diseñar dispositivos adecuados para diferentes aplicaciones. Además, Ia pieza o piezas de alta permeabilidad magnética pueden servir para "apantallar" el campo magnético, evitando que fuera del dispositivo de aplicación de hipertermia tenga valores demasiado elevados que podrían resultar perjudiciales para el usuario. Se consigue así disminuir el tamaño del equipo, ya que Ia atenuación debida al "apantallamiento"

del campo con materiales magnéticos es mucho mayor que Ia que se produce a través de aire. En consecuencia, de ser necesaria una cubierta de gran volumen para mantener al usuario alejado del campo magnético.

Así, en una realización particular de Ia invención, Ia pieza de alta permeabilidad magnética tiene aproximadamente forma rectangular de sección cuadrada o circular, con un entrehierro en uno de sus lados y Ia primera bobina arrollada a su alrededor. En este caso, Ia región de trabajo donde se introduce Ia muestra está situada en el entrehierro. En una realización particular más, se disponen piezas de alta permeabilidad magnética adicionales en áreas cercanas al entrehierro para apantallar el campo magnético, de modo que quede confinado en el interior del entrehierro tanto como sea posible.

En otra realización particular, Ia pieza de alta permeabilidad magnética tiene forma aproximadamente de U y está dispuesta de forma que Ia primera bobina está situada en el "interior" de Ia U en dirección longitudinal. Esta geometría provoca que una parte del campo sobresalga de Ia superficie imaginaria que une los dos extremos de Ia U, que es Ia zona que constituye Ia región de trabajo en esta realización. Con un diseño cuidadoso de Ia geometría y posición de Ia pieza de alta permeabilidad magnética es posible controlar Ia distancia con Ia que sobresale el campo magnético, Io que permite utilizar el dispositivo para aplicar de forma controlada tratamientos de hipertermia a superficies, por ejemplo para tratar lesiones cutáneas o similares. Además, Ia pieza de alta permeabilidad magnética en forma de U apantalla el campo magnético, de forma que detrás del extremo cerrado de Ia U su intensidad es mucho menor.

El dispositivo de aplicación de hipertermia magnética de Ia invención comprende además medios de refrigeración para evitar que el calor debido a las pérdidas provoque un aumento excesivo de Ia temperatura del inductor. Por ejemplo, el conductor que forma Ia bobina del inductor puede tener un conducto interno por el que circula el agua de refrigeración.

Otras realizaciones preferidas del dispositivo de aplicación de hipertermia de Ia invención comprenden un medio de interfaz y un medio de comunicación.

El medio de interfaz permite transmitir al usuario los datos adquiridos durante el tratamiento de hipertermia, como por ejemplo datos relativos a temperaturas, tiempo de tratamiento, características del campo aplicado u otras.

También sirve para que el usuario transmita al medio de control Ia intensidad del campo magnético requerido u otras preferencias. El medio de interfaz puede estar compuesto por uno o combinaciones de los siguientes elementos: una pantalla LCD, una pantalla TFT, una pantalla táctil, un conjunto de LED's, un teclado, etc.

El medio de comunicación sirve para transmitir los datos adquiridos durante el tratamiento de hipertermia a un ordenador u otro dispositivo. Ejemplos de medios de comunicación pueden ser un puerto USB, Ethernet, Bluetooth,

ZigBee, etc., así como medios de comunicación mediante tecnología móvil, como GPRS, UMTS, GSM u otros.

En dispositivos de acuerdo con Ia técnica anterior Ia medida de Ia temperatura se realiza disponiendo dispositivos comunes, tales como termopares, en el interior de Ia muestra. Sin embargo, este procedimiento de medida tiene una precisión muy pobre, especialmente para ciertas aplicaciones.

Con el objetivo de subsanar este inconveniente, una realización del dispositivo de Ia invención comprende un vaso Dewar adiabático dispuesto en Ia región de trabajo, en el interior del cual se dispone Ia muestra y un medio de medida de Ia temperatura. La adiabaticidad del vaso Dewar asegura medidas precisas relativas a Ia cantidad de calor disipado en Ia muestra durante el tratamiento de hipertermia, mediante Ia expresión calorimétrica bien conocida

Q = m C δT

donde m es Ia masa de Ia muestra, C es el calor especifico del material del que

está compuesta Ia muestra y δT= T _r T¡ es Ia diferencia de las temperaturas final e inicial del tratamiento.

Finalmente, otra realización particular de Ia invención comprende un medio de introducción de muestra que sirve para introducir Ia muestra en Ia región de trabajo respectiva según Ia geometría particular del dispositivo. En particular, el medio de introducción de muestra es una bandeja portamuestras deslizante.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

Figura 1.- Muestra una realización preferida del dispositivo de Ia invención que comprende una fuente de tensión continua conectada a un inversor y a un tanque LC.

Figura 2.- Muestra un detalle de Ia región de trabajo donde se dispone Ia muestra en un dispositivo de aplicación de hipertermia sin piezas de alta permeabilidad magnética.

Figura 3.- Muestra una realización preferida de una pieza de alta permeabilidad magnética con forma aproximadamente rectangular y sección cuadrada o circular.

Figura 4.- Muestra una realización preferida de una pieza de alta permeabilidad magnética con forma aproximadamente de U.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

Se describe a continuación un ejemplo de realización del dispositivo de aplicación de hipertermia (1 ) de acuerdo con Ia invención. La Figura 1 muestra un esquema eléctrico donde se aprecia un tanque LC (3), formado por un primer condensador (5) y una primera bobina (6) cuya capacidad e inductancia son de 10OnF y 4μHy, respectivamente. Se aplica al tanque LC (3) una tensión alterna mediante una fuente de tensión alterna (2), que está compuesta por una fuente de tensión continua (7) de amplitud variable entre 0 y 300 V conectada a un inversor (8). El inversor (8), a su vez, comprende un circuito tipo medio puente (10), conectado a un módulo de generación de pulsos (9), y a un conjunto LC serie, formado por un segundo condensador (11 ) y una segunda bobina (12) cuya capacidad e inductancia son de 10OnF y 35μHy, respectivamente. El circuito tipo medio puente (10), junto con el módulo de generación de pulsos (9) que controla el disparo de los transistores, y el conjunto LC serie, transforma Ia tensión continua generada por Ia fuente (7) en una tensión alterna cuya frecuencia controla un medio de control (4) conectado al módulo de generación de pulsos (9) y al tanque LC (3).

Así, el medio de control (4) controla Ia frecuencia y amplitud de los pulsos de disparo transmitidos a los transistores que forman el circuito medio puente (10) para conseguir que Ia frecuencia de Ia tensión de salida del mismo sea Io más parecida posible a Ia frecuencia de resonancia del tanque LC (3) en cada momento. Cuando el dispositivo de Ia invención (1 ) funciona a frecuencias cercanas a Ia frecuencia de resonancia del tanque LC (3), en este ejemplo aproximadamente 251 ,6 KHz, se consigue dentro del tanque LC (3) una intensidad de entre 0 y 400 A RMS, mientras que fuera del tanque LC (3) Ia intensidad es de aproximadamente entre 0 y 20 A RMS.

El medio de control (4) controla además Ia amplitud de Ia tensión continua generada por Ia fuente (7). En concreto, se conoce que el campo magnético en el interior de Ia primera bobina (6) es proporcional a Ia intensidad que Ia

atraviesa, que a su vez es proporcional a Ia tensión aplicada al tanque LC (3), y que a su vez depende de Ia tensión generada por Ia fuente (7) de tensión continua. Por Io tanto, en función de las necesidades del usuario relativas a Ia intensidad del campo magnético alterno, que el usuario indica a través de un medio de interfaz que no se muestra en los dibujos, el medio de control (4) modifica Ia amplitud de Ia tensión generada por Ia fuente (7) de tensión continua.

De este modo, el dispositivo de Ia invención (1 ) permite modificar Ia magnitud y Ia frecuencia del campo magnético generado en el interior de Ia primera bobina (6) en función de cada aplicación. En el ejemplo de Ia Fig. 2, Ia región de trabajo (18) donde se introduce Ia muestra (14) está situada en el interior de Ia primera bobina (6).

La Fig. 3 muestra un ejemplo en el que primera bobina (6) del tanque LC (3) está arrollada alrededor de una pieza de alta permeabilidad magnética (13) que tiene forma aproximadamente rectangular de sección cuadrada o circular, con un entrehierro (15) en el interior del cual se encuentra Ia región de trabajo

(18') donde se introduce Ia muestra (14'). Se han representado además unas piezas de alta permeabilidad magnética (13") adicionales, que sirven para apantallar el campo magnético al que está expuesto el usuario.

Por otro lado, Ia Fig. 4 ¡lustra una pieza de alta permeabilidad magnética (13') con forma aproximadamente de U. Esta geometría provoca que el campo se extienda hacia adelante, formando una región de trabajo (18") frente a los extremos de Ia U donde se sitúa Ia muestra (14"). El campo magnético es despreciable en Ia zona posterior a Ia pieza de alta permeabilidad magnética (13'), de modo que se minimiza Ia exposición de un usuario. Esta realización es útil para aplicar tratamientos de hipertermia superficiales, como por ejemplo para tratar afecciones cutáneas.

El dispositivo de aplicación de hipertermia (1 ) puede disponer además de medios para medir Ia temperatura de Ia muestra. La Fig. 5 muestra un vaso

Dewar (16) adiabático que se dispone en Ia región de trabajo (18, 18', 18"), y a través de cuyo extremo superior se introduce una sonda de temperatura (17) de fibra óptica, obteniéndose así datos precisos acerca de Ia elevación de temperatura de Ia muestra (14, 14', 14'").

Aunque no se muestran en las figuras, el dispositivo de Ia invención (1 ) comprende además una carcasa o cubierta en Ia que se integra un medio de interfaz (por ejemplo, una pantalla LCD) mediante el cual el usuario puede manejar el dispositivo. También puede comprender un medio de comunicación (por ejemplo, un puerto USB) mediante el cual el usuario puede descargar los datos de los tratamientos realizados, como tiempos de tratamiento, intensidad de campo, temperaturas inicial y final, etc.