用于加热生物组织内的磁的或可磁化的物质或固体的磁场施加装置制作方法

彼得·弗尤切特

2001年10月24日

2000年7月18日

1999年8月7日

Mfh控制体温系统有限公司

A61N2/10GK1319029SQ00801631

磁化 加热 生物 用于 组织

1．一种用于加热生物组织内的有磁性的或可磁化的物质或固体的磁场施加装置，所述装置具有磁轭，所述磁轭具有在所述磁轭上彼此面对的并被暴露体积中的间隙隔开的极靴，还具有用于产生交变磁场的两个磁场线圈，所述每个线圈被设置在一个极靴上，其特征在于磁轭(2,25)和极靴(7,8)由被连接在一起的铁氧体构件块(16,22)构成，以及磁场线圈(9,10)是具有至少一个螺旋延伸的绕组的盘形线圈，所述每个磁场线圈被分配给一个极靴，并且各个极靴端部包括被插入其间的环绕磁场线圈/极靴间隙(a)2．如权利要求1所述的磁场施加装置，其特征在于，磁场线圈(9,10)具有一个或几个螺旋延伸的由多股铜线制成的绕组3．如权利要求1或2所述的磁场施加装置，其特征在于，极靴(7,8)在被从上面看时是圆形的，并且彼此面对，其中平行的圆形极靴表面彼此面对，并由暴露体积(12)内的间隙相互分开，以及磁场线圈(9,10)被相应地制成圆环形4．如权利要求1到3任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，磁场线圈/极靴间隙(a)的尺寸范围是极靴直径(d)的0.07-0.1倍，以及磁场线圈(7,8)的表面和极靴端面基本齐平，借以在极靴端面的周边被倒圆5．如权利要求1到4任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，极靴直径(d)大于暴露体积(12)内的间隙6．如权利要求1到5任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，磁轭(2；25)由被切削成石块状的铁氧体构件块(16)构成，所述构件块的表面被除去烧结层，并且被磨成平行平面，以及圆形的极靴(7,8)由经过合适的机加工的铁氧体构件块(22)构成，所述构件块被从上面看时呈楔形7．如权利要求1到6任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，被切削成石块状的铁氧体构件块(16)由铁氧体板(18)构成，所述铁氧体板沿着磁通的方向被置于磁轭(2；25)的一排中，所述铁氧体构件块沿垂直于磁通的方向由绝缘/冷却间隙(19)相互分开，通过所述绝缘/冷却间隙可以输送冷却空气，并且其沿着磁通的方向通过非常窄的接触间隙(S2)彼此相连8．如权利要求7所述的磁场施加装置，其特征在于，塑料隔离器(20)被插入绝缘/冷却间隙(19)的横向区域中，并且铁氧体板(18)通过被插入作为磁轭元件的铁氧体构件块中的隔离器(20)被联结在一起9．如权利要求6所述的磁场施加装置，其特征在于，隔离器被插在楔形的铁氧体构件块(22)之间，以便构成绝缘/冷却间隙(23)，通过所述隔离器，邻接的铁氧体构件块(22)被相互联结在一起，以及提供轴向管状开孔24，以便形成管状极靴7,8，通过所述开孔(24)，可以使冷却空气流动10．如权利要求1到9任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，磁轭(2；25)由至少一个垂直磁轭元件(3,4；26)和与所述垂直磁轭元件相连的横向磁轭元件(5,6；27,28)构成，以及相互面对的极靴(7,8)和所述横向磁轭元件(5,6；27,28)相连，借以使得至少一个横向磁轭元件(6)可以相对于另一个横向磁轭元件(5)被调整，从而改变暴露体积内的间隙的宽度11．如权利要求1到10任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，在磁轭构件块之间的易于发生偏差的过渡点，特别是在横向磁轭元件(6)和可以彼此相对进行调整的垂直磁轭元件(3,4)之间的过渡点，与/或在横向磁轭元件(5,6)和极靴(7,8)之间的过渡点，提供强制气隙(S1)，其最好具有2-3mm的宽度，用于控制磁通，借以和接触间隙(S2)相比，特别是在横向磁轭调整区域，所述强制气隙(S1)的气隙宽度非常大12．如权利要求1到11任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，磁轭(25)被制成C形弧的形式，其中C的开口代表由极靴形成的在暴露体积内的间隙13．如权利要求1到11任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，磁轭(2)被制成3柱结构的M形，并具有两个平行的垂直磁轭元件(3,4)，它们彼此分开一定距离，并且具有相同的几何形状，其中两个横向磁轭元件(5,6)被连接在所述垂直磁轭元件之间，每个极靴(7,8)彼此面对，并位于所述横向磁轭元件的中央，并且其中具有相连的极靴(8)和被分配的的磁场线圈(10)的至少一个横向磁轭元件(6)可以作为一个部件相对于另一个横向磁轭元件(5)被调整，以便调整暴露体积内的间隙的宽度14．如权利要求13所述的磁场施加装置，其特征在于，由下部横向磁轭元件(6)和具有磁场线圈(10)的相关的极靴(8)构成的部件被固定地安装，并且由两个垂直磁轭元件(3,4)、上部横向磁轭元件(5)和具有磁场线圈(9)的相关的极靴(7)构成的开口可借助于垂直调整装置(11)进行调整以调整暴露体积内的间隙的宽度15．如权利要求14所述的磁场施加装置，其特征在于，所述垂直调整装置由至少一个电动机控制的直线驱动装置构成，尤其是一种自调整(self-inhibiting)的主轴驱动装置(11)，用于从下方移动垂直磁轭元件(3,4)16．如权利要求1到15任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，所述磁轭被保持在一个支撑结构中，冷却空气可以在所述支撑结构中流动17．如权利要求1到16任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，在垂直磁轭元件(3,4；26)的侧面的暴露体积内的间隙由磁场限定线圈与/或可调整的隔板(14,15)确定，所述隔板(14,15)限定一个滑入空间，并且可被垂直地彼此相对进行调整18．如权利要求1到17任何一个所述的磁场施加装置，其特征在于，要被暴露于磁场的生物组织是病人的肿瘤部位，并且在其中引入具有磁性的或可磁化的极小颗粒的磁流体，借以把肿瘤部位局部加热到41℃以上的温度19．如权利要求18所述的磁场施加装置，其特征在于，其中使用由10-15kA/m,50-100kHz的频率的磁力产生的交变磁场

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于加热生物组织内的磁的或可磁化物质或固体的磁场施加装置癌症以公知的方式通过手术切除、化疗、放疗或者这些方法的组合被治疗这些方法中的每一种方法都有某种局限性尤其是在转移之后的发展阶段，当肿瘤位于接近重要的人体部位时，或者在扩散的肿瘤在不能确定的位置生长的情况下，肿瘤的手术切除是不可能的，或者只能提供极小的治愈机会因此，手术干预一般和放疗以及化疗相结合放疗只能在借助于图像产生处理精确地确定肿瘤的位置时才能进行，并且要极度避免涉及健康组织在另一方面，化疗方法作用于整个人体在这种情况下，骨髓毒性或治疗的特殊性构成限制因素因此，在本领域的目前状态下的这些治疗方法不可避免地具有副作用，并且通常会破坏健康组织近些年来，高温方法作为另一种方法得到了重视，这种方法把肿瘤温度加热到41℃以上，使得和手术、放疗以及化疗相结合得以改善治疗结果，即能够局部控制肿瘤的生长并在某种程度上甚至可以存活借助于人体的帮助在41-46℃的温度范围内，肿瘤组织发生被控制的相当慢的减少这种方法被称为高温方法，在从47℃开始的较高的温度下将发生细胞结构的急剧破坏，这些破坏根据温度的不同可以以坏疽、凝结或碳化的方式出现，这种方法被称为热切除现有技术中的高温系统仅适合于上述的高温方法，或只适合于热切除高温方法具有的一般普遍的问题是不能被精确地定位，因而按照现有技术，通常对人体的目标部位几乎全部进行加热在某种生理条件下(例如缺氧，低pH)，在肿瘤中癌细胞对高温敏感，但这仅仅适用于少数的情况和正常组织相比，高温本身对肿瘤细胞没有任何更多的作用因此，限制对于由医学指示的部位(并且这不必限制于肿瘤)的加热是尤其重要的，而按照现有技术，这是不能实现的按照现有技术，使用一种由电场控制的系统，该系统从天线或者从其它天线形的物体或者从天线阵列发射通常在兆赫兹范围内的电磁波，用于局部地加温为此，或者是单独的电场施加装置的电场被用于所谓的间隙升温，或者是天线阵列的干扰被用于深部加温对于所有这些电场控制的系统，通常的困难在于，借助于昂贵的电场控制只能浪费功率，并且其中的加热取决于可施加的目标组织的导电率，按照不同的组织性质，其导电率是非常不同的，因而即使利用均匀的辐射，也形成不均匀的电场加热尤其在具有非常不同的导电率的人体部位的过渡点，由于上述原因而吸收过量的功率，或发生所谓的“热点”，这些可能引起病人的疼痛和烧伤因而，通常由病人控制减少总的发射功率，从而使得在目标部位不能达到能够破坏肿瘤组织所需的温度(41-42℃)，因而使治疗失败此外，由于偶极阵列的干扰，只有产生的最大的第二电场才能深入人体的内部部位由于物理的原因，最大的功率消耗总是发生在人体表面，即在最大的半径处除此之外，通过肿瘤和正常组织的血流量在高温下经常改变，因为所述电场的相当低的控制能力，利用电场控制的系统不能从外部补偿这种改变按照现有技术的另一种方法是超声波，其最好用于热切除，和间隙微波施加装置由于频率的原因，后者具有低的穿透深度，因此只能以间隙天线的形式使用此外，使用红外线对整个人体进行加热，以及使用体外的系统加热人体流体此外，已知一种用于治疗前列腺癌的高温方法(美国专利5197940)，其中“热种”被植入肿瘤的部位，所述热种由磁的特别是铁磁的或可磁化的材料制成，或者含有这种材料这些热种一般几个厘米长，直径在毫米的范围内显然，需要以高的费用通过手术植入这种热种这种热种要在病人体外产生的交变磁场中进行处理，以便以高温的形式由公知的磁滞效应在热种中产生热量这些热种按照“热源”原理被加热，即，当热种被加热时，热种周围的温度按指数下降，因而在临床应用中，热种之间的距离可以不大于1厘米在距离较大或者距离不均匀的情况下，则可能发生热欠剂量，这也能使治疗失败尤其是较大的肿瘤，需要非常窄地植入热种，因而这种方法手术费用高，并且使病人压力大除去小的距离之外，热种的方位还必须和交变磁场平行，以便使功率消耗最佳在所谓的自调节的热种中，居里温度阻止过热，这是因为当达到居里温度时，铁氧体进入不可磁化状态，因而不再消耗功率其中使用振荡电路的磁场线圈作为磁场施加装置，用于产生交变磁场，被植入热种的病人身体的部位可以位于所述振荡电路的轴线上实际上，使用空心线圈，在治疗期间，在空心线圈的中央区域中病人坐在不可磁化的支撑板上在利用热种的高温方法中，存在的缺点是，手术的高的费用和该方法的严重的侵入，不精确的方位或者热种位置改变的危险，以及可能发生的热欠剂量，和该方法只局限于较小的肿瘤在另一种用于肿瘤治疗的高温方法中(WO97/43005)，提出了一种可磁化的微囊体，其通过血流到达肿瘤的部位用这种方式进行可磁化元件的植入尤其应当避免，因为在植入时，除去病人经受精神紧张之外在肿瘤中形成切口时还存在可能使恶性肿瘤细胞扩散到健康组织内的危险使用频率范围为10kHz-500kHz的线性交变磁场微囊体要和能够被高度磁化的材料结合使用，使得用于产生所述磁场的交变磁力相对于所需的冷却系统的设备结构和电源而言是容易处理的不过，没有说明实际的设备结构还有一种非常类似的使用其频率在大于10kHz的范围内的旋转磁场的高温方法(E0913167A2)为了产生所用的旋转的交变磁场，只示意地示出了这类磁场施加装置所述磁场施加装置包括具有两对极靴的磁轭，它们彼此相交，并在暴露的体积内由气隙相互隔离，还具有被设置在这些极靴上的两对磁场线圈实际上示出的是一种矩形的磁轭，借以使极靴被排列在从每个磁轭分支的中心开始的矩形的中央，从而在其中形成磁场空间圆柱形的线圈被安装在极靴上，它们彼此面对，同时和相关的电容装置相连，以便形成振荡电路然而，用于实现上述的高温方法的磁场施加装置的示意图除去表示一种试验的装置之外，没有披露一种实际的工业生产方法，所述方法例如要求高的产量和低的成本，以及占据最小的空间和低的磁场泄漏，还有在医院中使用时应当具有的最佳的治疗效果因此，本发明的目的在于，提供一种磁场施加装置，用于加热在生物组织内的磁性的或可磁化的物质或固体，其能够满足上述有关工业生产的要求，用于医院或其它可能的工业应用中所述目的通过权利要求1的特征实现了按照权利要求1，磁轭和极靴由被固定在一起的被组装的铁氧体构件块构成磁场线圈是盘形线圈，其具有至少一个螺旋延伸的绕组，每个绕组被排列在一个极靴上，并且包括具有中间的环绕的磁场线圈极靴间隙的相关的极靴端部为了加热，尤其是利用磁液体加热，需要大约15-20kA/m大约50-100kHz的交变磁力在暴露于磁场的体积是8-301的情况下，必须由高温装置产生大约18kW-80kW的有效功率这个能量必须以高频形式产生，然后必须以热的形式被发送，因为在磁流体中只产生几瓦用于在病人体内产生高温利用权利要求1的装置，能够保持小的被暴露于磁场的体积和漏磁通，使得把它们限制于人体内需要治疗的部位，并使得所需的能量容量和用于热输送的需求可以被减少为此目的，磁轭和极靴由铁氧体构件块以及盘形线圈构成，在极靴上具有至少一个螺旋延伸的绕组由于和周围的磁场线圈/极靴间隙相组合的磁场线圈的特殊的构型，可以大大减少不需要的过量的磁密以及由此产生的高的损耗和已有的结构相比，如现有技术所述，具有在极靴周围的圆柱线圈的结构在极靴的最后的绕组中对于两个磁体之间的间隙例如通过感应加热来产生高温具有和散热有关的相当大的问题在另一方面，按照本发明的盘形线圈设计，由于和磁场线圈/极靴间隙相结合，使得在被分配的极靴的周边上产生相当低的磁密利用铁氧体构件块和大约为50-100kHz的高的交变频率相结合，使得能够限制暴露于磁场的体积，使得大约只有相同的空气体积的能量的1/2000在铁氧体体积中运动这个大的优点是由于铁氧体构件块易于产生损耗引起的，例如在工作区域内两倍的磁通密度可以产生5-6倍的损耗为此，下面说明一种合适的措施，用于保持低的磁通密度，特别是用于避免磁通密度的不需要的增加，或者至少使其大为减少铁氧体是一种陶瓷状的构件块，可以以合理的成本以任何所需的形式被生产，尤其是不以整体磁轭的形式被构成为此目的，本发明提出由铁氧体构件块构成磁轭，借以在过渡点干扰否则可能发生的尽可能均匀的磁通下面说明这个问题的优选的解决办法按照本发明的磁场施加装置同样非常适合于作为热切除处理的高温治疗此外，按照本发明的磁场施加装置还适合于加热的其它物质或固体，用于治疗癌症之外的医疗应用其中包括所有和热相关的医疗应用，例如热感应植入，或斯滕特固定膜的再生、植入或斯滕特固定膜的表面活化，为了治疗而加热发炎的未被癌感染的人体部位，促进对照媒体分布，或者通过交变磁场的激励改善超顺磁对照媒体，通过磁载体辅助基因转移系统进行生物分子、生物细胞和生理成长过程的活化，配合基、受体、传递器、其它的信号分子以及物质的新陈代谢过程和内分泌过程的触发为此目的，按照权利要求2，磁场线圈应当具有一个或几个螺旋延伸的并利用旋制的多股铜线制成的绕组，以便尽量减少涡流损耗在按照权利要求3的一个特别有利的实施例中，所述极靴被制成圆柱形，或者从顶部看时呈圆形，借以使其平行的相互指向对方的极靴圆周离开暴露体积内的间隙一定距离相互面对因而，磁场线圈被制成圆环的形式这使得能够拉平磁通，从而减少否则将在空间的拐角和边沿增加的发热当盘形的磁场线圈被置于尽可能靠近暴露体积中的间隙时，由权利要求4可以得到关于能量和磁通的尤其有利的条件，特别是极靴表面具有齐平的表面结构时如果磁极/极靴间隙的尺寸大约为极靴直径的1/10(0.07-0.1倍)，并且如果相应的极靴表面的周边被倒圆，则可以实现更加优化用这种方式，可以大大减少有害的磁通密度的增加按照权利要求5，极靴直径应当大于暴露体积内的间隙的宽度这样，可以减少极靴外部的或暴露于磁场的体积的漏磁场，使得在铁氧体构件块内的磁通密度，因而也是在铁氧体材料内的损耗可以被保持为相当低的值如果使用具有相当小的截面的极靴，这些在铁氧体构件块内的损耗将不成比例地增加为一个高的值按照权利要求6，磁轭由方形的铁氧体构件块构成，其表面被磨成平行平面，以便形成均匀的过渡，借以可以除去外部的烧结层因而圆形的极靴由类似于一块蛋糕的楔形铁氧体构件块构成，在这种情况下，邻接的表面也被磨成平行平面为了降低涡流损耗，权利要求7提出，使由铁氧体板制成的被切削成石块形的铁氧体构件块排列成一排，并通过绝缘冷却间隙使其相互隔离在其装配状态下，这些铁氧体板沿磁通的方向排列为了由铁氧体板制成一个整体的铁氧体构件块，按照权利要求8，它们借助于塑料隔离器相互分开，并通过所述隔离器相互胶连按照权利要求9，以类似方式制成楔形的铁氧体构件块，以便构成极靴，借以使可以引入冷却空气的管状中心开口被保持打开为了联结铁氧体板，最好使用耐高温的两组份粘结剂铁氧体板之间的间隙用于电绝缘和冷却，通过间隙吹入冷却空气因为尽管铁氧体的导电率低，但是仍然发生较大的涡流，所以需要冷却，此外，必须除去由此而产生的热量虽然液体冷却是更有效的，不过因为绝缘要求而不能使用油冷具有危险，这是因为油的可燃性所致，而相当的不可燃的液体通常具有毒性一般地说，如果使用液体冷却剂，则只能以高的费用解决密封问题，尤其是在具有可移动的磁轭元件并涉及所有其它的技术困难的情况下在按照权利要求10的优选实施例中，磁轭由至少一个垂直磁轭和两个连接的横向磁轭元件构成，借以使彼此面对的极靴被连接到横向磁轭元件上至少一个磁轭元件相对于另一个磁轭元件可以被调整，以便改变暴露体积内的间隙的宽度如前所述，暴露于磁场的体积应当被保持尽可能低，以便确保总的有利条件在具有可移动的横向磁轭元件的结构中，这可以被实现，以便容易地把病人放置在暴露体积内的间隙内，此时通过移动至少一个横向磁轭元件，使极靴距离扩大，接着再尽量减小所述距离，以便暴露于磁场在另一方面，如前所述，在过渡点的磁通用这种方式被控制，使得除去在制造时形成的大约为0.1-0.2mm的磁无效的烧结层，并且把导磁的表面被磨圆而成为平行平面由于铁氧体的大的导磁率，最小的不规则性也有影响，因而按照权利要求11利用强制气隙进行磁通控制是有利的在可动横向磁轭元件和相邻的垂直的磁轭元件之间的过渡点，与/或在横向磁轭元件和极靴之间的过渡点设置2-3mm的强制气隙是尤其有利的在这种相当宽的强制气隙附近，根据条件，可以在铁氧体构件块中保留烧结层，以便减少制造成本在原理上，按照权利要求12，磁轭可被制成C形弧的形状，其中C的开口区域表示由极靴形成的暴露体积内的间隙在这种情况下，极靴和磁场线圈具有好的可进入性，因而暴露体积内的间隙也具有好的可进入性不过，利用C形弧的磁轭，将发生大的漏磁通，并且磁通的闭合路径具有不同的长度，以及在拐角存在磁通转向问题在另一方面，按照权利要求13的一个特别优选的实施例，具有M形的磁轭，其具有三柱结构，其中两个平行的垂直磁轭元件具有相同的几何形状，它们相互离开一定距离，两个横向磁轭元件被连接在所述垂直磁轭元件之间，在所述横向磁轭元件上，安装有相互面对的极靴，在极靴的中央区域，具有磁场线圈具有相关的磁场线圈的一个横向磁轭元件被如此设计，使得其相对于另一个横向磁轭元件可以调整，从而调整在暴露体积内的间隙的宽度磁通的闭合在两侧被有利地分为两个长度相等、几何形状相同的路径相对于C形磁轭，至少一个横向磁轭元件的机械上的相对移动容易实现，因为垂直磁轭元件可用作每一侧上的支撑按照权利要求14，由下部横向磁轭元件和具有磁场线圈的相关的极靴构成的部件被固定地安装可以例如在所述固定的极靴上连接一个具有病人支撑和由塑料材料制成的托架位置显示的病人托架，使得在调整暴露体积内的间隙的宽度期间病人不需要移动由具有极靴和磁场线圈的上部横向磁轭元件的两个垂直磁轭元件构成的开口可以借助于垂直调整装置相对于所述固定的元件被移动，借以调整暴露体积内的间隙的宽度按照权利要求15，可以构成一个最好和垂直磁轭元件相连的简单的直线驱动装置例如，可以使用自约束主轴驱动装置，使得整个设备被非常可靠地构成，而没有因为调整装置的错误而使重的磁轭元件伤害病人的危险在按照权利要求16的一种有利的改型中，磁轭可以被保持在一种支撑结构中，其中可以导入冷却空气并使之通过铁氧体构件块的冷却气隙流动，从而除去热量按照权利要求17，根据条件和特殊要求，在暴露体积中的间隙因而也是暴露于磁场的体积可以借助于磁场限定线圈与/或借助于隔板被沿横向限定在原理上，按照本发明的磁场施加装置可以用于许多合适的应用，其中包括通过使用被引入的磁性的与/或可磁化的物质对所有可能的组织，机体，物体和被暴露于磁场的物质的精确定位和无接触加热不过，按照权利要求18，所述磁场施加装置的优选的应用是在医学领域内尤其在癌症治疗领域，其中最好使用具有可磁化的极小颗粒的液体作为磁性物质这样，可以对肿瘤部位局部加热到41℃以上按照权利要求19，使用由大约10-15kA/m大约50-100kHz的磁力产生的交变磁场然后，结合上述权利要求限定的磁场施加装置，达到治疗肿瘤所需的温度当磁场施加装置用于热种时，只需1-2kA/m的磁力根据给定的情况，在20-500kHz一个较宽范围内的频率也是合适的下面结合附图详细说明本发明，其中