Medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung zur Er ^¬ wärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe.

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.

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.

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 .

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.

Diese Aufgabe wird durch die medizinische Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

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.

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 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.

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.

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 .

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.

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.

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 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 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.

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.

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.

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.

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 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 .

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 Fe ₂ C>3 (in der als Maghe- mit bezeichneten Modifikation) und/oder Fe ₃ 0 ₄ (auch als

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 .

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.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, welche die Behand ^¬ lung eines Patienten mit einer Aus führungs form der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung wiedergibt ;

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. 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. 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.

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.

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 absorbierte

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.

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.

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. 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 .

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 Fe ₃ Ü ₄ (Magnetit) be ^¬ steht. Um den Kern 9a ist eine Hülle 9b angeordnet, welche einen entsprechenden medizinischen Wirkstoff enthält.

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) .

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 ) .

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=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.

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:

Der Radius r des Magnetitkerns liegt zwischen 2,5 und 25 nm; die Dichte des Kerns liegt bei 5200 kg/m ³ ;

die Magnetisierung des Kerns beträgt 500 kA/m;

das Volumen V des Kerns liegt zwischen 6,5 ^X 10 ^~26 und

6, 5 ^X 10 ^~23 m ³ ; die Masse des Kerns liegt zwischen 3,4 ^X 10 und 3,4 ^X 10 kg; das magnetische Moment m liegt zwisehen 3, 3 ^X 1(T ²⁰ und

3, 3 ^X 1(T ¹⁷ Am ² ; 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/m ³ .

Aus den obigen Größen ergibt sich mit der Formel (3) für ein näherungsweise kugelförmiges Nanopartikel ohne Hülle ein

Trägheitsmoment J zwisehen 8, 5 ^X 10 ^~40 und 8, 5 ^X 10 ^~35 kgm ² . Für ein Nanopartikel mit Wirkstoffhülle liegt das Trägheitsmoment zwischen l,7 ^x 10 ^~37 und 1,7 ^X 10 ^~32 kgm ² . 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) B ^1/2 MHz/T ^1/2 .

Für ein Magnetitpartikel mit Hülle lautet der Frequenzbereich hingegen wie folgt: 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.

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

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.

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 .

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 .