DE102013202409A1

DE102013202409A1 - A method of operating a hyperthermia device and hyperthermia device

Info

Publication number: DE102013202409A1
Application number: DE201310202409
Authority: DE
Inventors: Franz Eiermann; Hans-Peter Krämer; Wolfgang Schmidt; Johanna Dorothee Schöpfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-08-14
Also published as: WO2014124767A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung (1) mit einer Spulenanordnung (2), die mit einem Wechselstromsignal betreibar ist, mit folgenden Schritten: Erfassen (S1) einer Lastimpedanz (Z_Last) der Hyperthermievorrichtung bei unterschiedlichen Frequenzen (F) des Wechselstromsignals; und Wählen (S2) der Frequenz (F) des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung (1) in Abhängigkeit von der erfassten Lastimpedanz (Z_Last).
Durch gezieltes Wählen der Frequenz des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der erfassten Lastimpedanz der Spulenanordnung kann die Leistungsübertragung innerhalb der Hyperthermievorrichtung optimal angepasst werden.
Die Erfindung betrifft zudem eine Hyperthermievorrichtung (1) zum Erwärmen von biologischem Gewebe sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method of operating a hyperthermia device (1) having a coil arrangement (2) operable with an AC signal, comprising the steps of: detecting (S1) a load impedance (Z _load ) of the hyperthermia device at different frequencies (F) of the AC signal ; and selecting (S2) the frequency (F) of the AC signal to operate the hyperthermia device (1) in response to the detected load impedance (Z _Last ).
By selectively selecting the frequency of the AC signal in response to the detected load impedance of the coil assembly, the power transfer within the hyperthermia device can be optimally adjusted.
The invention also relates to a hyperthermia device (1) for heating biological tissue and to a computer program product for carrying out the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung mit einer Spulenanordnung, die mit einem Wechselstromsignal betreibar ist. Die Erfindung betrifft zudem eine Hyperthermievorrichtung zum Erwärmen von biologischem Gewebe mit einer Spulenanordnung. The present invention relates to a method of operating a hyperthermia device having a coil assembly operable with an AC signal. The invention also relates to a hyperthermia device for heating biological tissue with a coil arrangement.

Hyperthermie wird im medizinischen Bereich zur Behandlung von biologischem, etwa tierischem oder menschlichem, Gewebe eingesetzt. Dabei wird ein verlustbehaftetes Medium in die Blutbahn des Lebewesens eingebracht bzw. in das betroffene Gewebe transportiert, wo es durch geeignete Maßnahmen gehalten werden muss. Alternativ kann das Medium auch direkt in das betroffene Gewebe gespritzt werden. Ein gezielt angelegtes statisches elektrisches und/oder magnetisches Feld konzentriert das verlustbehaftete Medium im krankhaften Gewebe und ein überlagertes elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld erzeugt in Wechselwirkung mit dem verlustbehafteten Medium Wärme. So kann das krankhafte Gewebe gezielt erwärmt und abgetötet werden. Hyperthermia is used in the medical field for the treatment of biological, such as animal or human tissue. In this case, a lossy medium is introduced into the bloodstream of the living or transported into the affected tissue, where it must be kept by appropriate measures. Alternatively, the medium can also be injected directly into the affected tissue. A targeted applied static electric and / or magnetic field concentrates the lossy medium in the diseased tissue and a superimposed alternating electric and / or magnetic field generates heat in interaction with the lossy medium. This allows the diseased tissue to be specifically heated and killed.

Zum Übertragen von magnetischer Energie werden typischerweise Spulenanordnungen verwendet, in die ein Medium mit einer Permeabilitätskonstante μ_r ≠ 1 eingebracht wird, das mit dem magnetischen Feld in Wechselwirkung tritt. Diese Wechselwirkung erzeugt Wärme, wenn zum Beispiel die Permeabilitätskonstante des Mediums verlustbehaftet ist (das heißt μ_r’’ ≠ 0) oder infolge von Bewegung und Reibung von makroskopisch ferromagnetisch polarisierten Teilchen, wie Nanopartikeln, in einem magnetischen Wechselfeld. Coil arrays are typically used to transfer magnetic energy into which a medium having a permeability constant μ _r ≠ 1 that interacts with the magnetic field is introduced. This interaction generates heat when, for example, the permeability constant of the medium is lossy (ie, μ _r '' ≠ 0) or due to movement and friction of macroscopically ferromagnetic polarized particles, such as nanoparticles, in an alternating magnetic field.

In DE 10 2011 004 666 A1 ist eine medizinische Vorrichtung zur Erwärmung von menschlichem oder tierischem Gewebe beschrieben, die eine erste und eine zweite Magnetfeldeinrichtung umfasst. In DE 10 2011 004 666 A1 For example, a medical device for heating human or animal tissue comprising a first and a second magnetic field device is described.

Hierbei umfasst die erste (statische) Magnetfeldeinrichtung eine Spule mit Polschuh, die ein Gradientenfeld erzeugt. Die zweite Magnetfeldeinrichtung umfasst mehrere über einen Hochfrequenz-Generator betriebene Hochfrequenz-Antennen oder Hochfrequenz-Spulen, die ein hochfrequentes Wechselfeld erzeugen. Die beiden Magnetfeldeinrichtungen sind dabei derart zueinander positionierbar, dass der Magnetfeldvektor des Wechselfeldes senkrecht zu dem Magnetfeldvektor des statischen Gradientenfeldes steht. So werden im Betrieb der Vorrichtung Partikel mit einem magnetischen Moment mithilfe des statischen Magnetfeldes im Gewebe an einer Stelle gehalten und mithilfe des Wechselfeldes in Rotationsschwingungen versetzt, die Reibungsverluste und somit Wärme erzeugen. Here, the first (static) magnetic field device comprises a coil with pole piece, which generates a gradient field. The second magnetic field device comprises a plurality of high-frequency antennas or high-frequency coils which are operated via a high-frequency generator and generate a high-frequency alternating field. The two magnetic field devices can be positioned relative to one another such that the magnetic field vector of the alternating field is perpendicular to the magnetic field vector of the static gradient field. Thus, during operation of the device, particles with a magnetic moment are held in place by the static magnetic field in the tissue and, with the aid of the alternating field, are set into rotational vibrations which generate friction losses and thus heat.

Um in derartigen Systemen die zur Verfügung stehende Leistung der Quelle zum Betreiben des Systems möglichst effektiv zur Last, etwa der Spulenanordnung, zu übertragen, werden Komponenten mit möglichst geringen Eigenverlusten, also hoher Güte, verwendet. Zusätzlich wird die Impedanz der Quelle an das verlustbehaftete Medium (Nanopartikel) und die Eigenverluste im System angepasst. Eigenverluste ergeben sich dabei etwa aus Schaltungsverlusten, die insbesondere an Spulen- oder Kondensatoranordnungen anfallen. In order to transfer the available power of the source for operating the system as effectively as possible to the load, for example the coil arrangement, in such systems, components with the lowest possible intrinsic losses, ie high quality, are used. In addition, the impedance of the source is adapted to the lossy medium (nanoparticles) and the self-losses in the system. Self-losses result from, for example, circuit losses, which occur in particular on coil or capacitor arrangements.

Eine maximale Leistungsübertragung von der Quelle zur Last erfolgt dabei, wenn die Quellimpedanz gleich der konjugiert komplexen Lastimpedanz ist. Dies wird durch ein hardwaremäßig realisiertes Anpassungsnetzwerk erreicht, das typischerweise nur für eine Frequenz optimal aufgebaut ist. Sind im Betrieb größere Änderungen der Reaktanzen, wie der Induktivitäts- oder Kapazitätswerte, möglich, verschiebt sich die optimale Arbeitsfrequenz des Anpassungsnetzwerks und die Leistung kann nicht mehr optimal übertragen werden. Maximum power transfer from the source to the load occurs when the source impedance is equal to the complex conjugate load impedance. This is achieved by a hardware implemented matching network, which is typically optimally constructed for only one frequency. If larger reactance changes, such as inductance or capacitance values, are possible during operation, the optimum operating frequency of the matching network shifts and the power can no longer be optimally transmitted.

Um eine optimale Leistungsübertragung zu erreichen, müsste somit die Hardware des Anpassungsnetzwerkes im Betrieb ausgetauscht werden. Alternativ können bei Reaktanzänderungen verschiedene Anpassungsnetzwerke zu- und weggeschaltet werden. In order to achieve optimum power transmission, the hardware of the matching network would have to be replaced during operation. Alternatively, with reactance changes, various matching networks can be switched on and off.

Derartige Lösungen können jedoch nur eine diskrete Änderung des Anpassungsnetzwerkes bereitstellen und sind aufgrund der erhöhten Anzahl von Hardwarekomponenten aufwändig in der Realisierung. However, such solutions can only provide a discrete change to the matching network and are expensive to implement due to the increased number of hardware components.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung und eine entsprechende Hyperthermievorrichtung bereitzustellen, die eine vereinfachte und verbesserte Leistungsübertragung zwischen Quelle und Last ermöglichen. It is therefore an object of the invention to provide a method for operating a hyperthermia device and a corresponding hyperthermia device, which enable a simplified and improved power transmission between source and load.

Demnach wird ein Verfahren zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung mit einer Spulenanordnung vorgeschlagen, die mit einem Wechselstromsignal betreibar ist. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:
Erfassen einer Lastimpedanz der Spulenanordnung bei unterschiedlichen Frequenzen des Wechselstromsignals; und
Wählen der Frequenz des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Lastimpedanz. Accordingly, a method of operating a hyperthermia device with a coil assembly operable with an AC signal is proposed. The process comprises the following steps:
Detecting a load impedance of the coil assembly at different frequencies of the AC signal; and
Selecting the frequency of the AC signal to operate the hyperthermia device in response to the detected load impedance.

Zudem wird eine Hyperthermievorrichtung zum Erwärmen von biologischem Gewebe mit einer Spulenanordnung vorgeschlagen, welche eine erste Einrichtung zum Erfassen einer Lastimpedanz der Spulenanordnung bei unterschiedlichen Frequenzen des Wechselstromsignals und eine zweite Einrichtung zum Einstellen der Frequenz des Wechselstromsignals in Abhängigkeit der erfassten Lastimpedanz umfasst. In addition, a hyperthermia device for heating biological tissue with a coil arrangement is proposed which comprises a first device for detecting a load impedance of the coil arrangement at different frequencies of the alternating current signal and a second device for adjusting the frequency of the alternating current signal as a function of the detected load impedance.

Die vorgeschlagene Hyperthermievorrichtung ist insbesondere derart eingerichtet, dass ein entsprechendes ein Verfahren zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung mit einer Spulenanordnung implementiert wird. In particular, the proposed hyperthermia device is arranged such that a corresponding method for operating a hyperthermia device with a coil arrangement is implemented.

Durch gezieltes Wählen der Frequenz des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der erfassten Lastimpedanz der Spulenanordnung kann die Leistungsübertragung innerhalb der Hyperthermievorrichtung optimal angepasst werden. So kann vor jeder Hyperthermiesequenz die Lastimpedanz der Spulenanordnung in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstromsignals bestimmt werden. Für die Hyperthermiesequenz kann dann die Frequenz des Wechselstromsignals so gewählt werden, dass die maximale Leistung in die Spulenanordnung eingespeist wird. Dabei kann das Verfahren softwaregesteuert implementiert sein, ohne dass es komplexer Hardwareschaltungen bedarf. Die Hyperthermievorrichtung ist damit einfach zu realisieren und kann unter optimalen Bedingungen mit maximaler Leistungseinkopplung bzw. Leistungseinspeisung in die Spulenanordnung betrieben werden. Verluste, beispielsweise durch Reflexionen, beim Betreiben der Hyperthermievorrichtung werden somit wesentlich reduziert, was einen effizienten Betrieb ermöglicht. By selectively selecting the frequency of the AC signal in response to the detected load impedance of the coil assembly, the power transfer within the hyperthermia device can be optimally adjusted. Thus, before each Hyperthermiesequenz the load impedance of the coil assembly can be determined in dependence on the frequency of the alternating current signal. For the Hyperthermiesequenz then the frequency of the AC signal can be selected so that the maximum power is fed into the coil assembly. In this case, the method can be implemented under software control without requiring complex hardware circuits. The hyperthermia device is thus easy to implement and can be operated under optimal conditions with maximum power input or power feed into the coil assembly. Losses, such as reflections, in operating the hyperthermia device are thus substantially reduced, allowing for efficient operation.

Neben dem Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens in Hyperthermievorrichtungen ist auch ein Einsatz in anderen Systemen denkbar, die ein Wechselstromsignal von einer Signalquelle in eine Last einspeisen müssen und deren reaktive Anpasselemente sich ändern können z.B. aufgrund der Temperatur. So kann das Verfahren beispielsweise beim induktiven Laden von Batterien im Fahrzeug genutzt werden. In addition to the use of the proposed method in hyperthermia devices, it is also conceivable to use it in other systems which have to feed an AC signal from a signal source into a load and whose reactive matching elements may change, e.g. due to the temperature. For example, the method can be used for inductive charging of batteries in the vehicle.

Eine Hyperthermievorrichtung bezeichnet hierbei eine Vorrichtung, die mittels magnetischer und/oder elektrischer Energie ein insbesondere biologisches Gewebe erwärmt. Dabei wird magnetische und/oder elektrische Energie auf ein verlustbehaftetes Medium übertragen, das diese zumindest teilweise in Wärme umwandelt. Dabei kann magnetische Energie durch die Spulenanordnung übertragen werden. Zum Übertragen elektrischer Energie kann statt der Spulenanordnung alternativ oder zusätzlich auch eine Plattenkondensatoranordnung eingesetzt werden. A hyperthermia device hereby designates a device which heats a tissue, in particular a biological tissue, by means of magnetic and / or electrical energy. In this case, magnetic and / or electrical energy is transferred to a lossy medium that converts them at least partially into heat. In this case, magnetic energy can be transmitted through the coil assembly. For transmitting electrical energy, alternatively or additionally, a plate capacitor arrangement may be used instead of the coil arrangement.

Beispielsweise kann elektrische Energie durch die Plattenkondensatoranordnung auf ein Medium übertragen werden. Ist die Dielektrizitätskonstante des Mediums verlustbehaftet (das heißt ε_r’’ ≠ 0) oder umfasst das Medium makroskopisch, dielektrisch polarisierte Teilchen, wie Nanopartikel, die sich im elektrischen Wechselfeld bewegen und dabei Reibungsenergie freisetzen, wird Wärme frei. For example, electrical energy can be transferred to a medium through the plate capacitor assembly. If the dielectric constant of the medium is lossy (that is, ε _r "≠ 0) or if the medium comprises macroscopic, dielectrically polarized particles, such as nanoparticles, which move in the alternating electric field and thereby release frictional energy, heat is released.

Analog kann magnetische Energie über die Spulenanordnung auf ein Medium übertragen werden. Ist die Permeabilitätskonstante des Mediums verlustbehaftet (das heißt μ_r’’ ≠ 0) oder umfasst das Medium makroskopisch, ferromagnetisch polarisierte Teilchen, wie Nanopartikel, die sich im magnetischen Wechselfeld bewegen und dabei Reibungsenergie freisetzen, wird ebenfalls Wärme frei. Analog magnetic energy can be transmitted via the coil assembly to a medium. If the permeability constant of the medium is lossy (that is μ _r '' ≠ 0) or if the medium comprises macroscopic, ferromagnetic polarized particles, such as nanoparticles, which move in the alternating magnetic field and thereby release frictional energy, also heat is released.

Das verlustbehaftete Medium kann dabei insbesondere eisenoxidhaltige Nanopartikel (Fe₃O₄-Nanopartikel) umfassen, die kugelförmig sind und einen mittleren Durchmesser von 3 bis 50 nm, bevorzugt von 10 bis 30 nm, aufweisen. Die Nanopartikel können weiterhin in einer biologisch verträglichen Flüssigkeit kollodial suspendiert sein, um eine Injektion in biologisches Gewebe zu ermöglichen. In der Flüssigkeit kann beispielsweise ein Anteil von 6% an Nanopartikeln enthalten sein. The lossy medium may in particular comprise iron oxide-containing nanoparticles (Fe ₃ O ₄ nanoparticles) which are spherical and have an average diameter of from 3 to 50 nm, preferably from 10 to 30 nm. The nanoparticles may further be collodially suspended in a biocompatible liquid to allow injection into biological tissue. In the liquid, for example, a proportion of 6% of nanoparticles may be included.

Zum Übertragen von elektrischer und/oder magnetischer Energie auf das verlustbehaftete Medium umfasst die Hyperthermievorrichtung eine frequenzgesteuerte Signalquelle, insbesondere einen Frequenzgenerator, der das Wechselstromsignal zum Betreiben der Spulenanordnung bereitstellt. So wird innerhalb der Spulenanordnung ein magnetisches Wechselfeld generiert. For transmitting electrical and / or magnetic energy to the lossy medium, the hyperthermia device comprises a frequency-controlled signal source, in particular a frequency generator, which provides the AC signal for operating the coil arrangement. Thus, an alternating magnetic field is generated within the coil assembly.

Innerhalb der Spulenanordnung befindet sich das biologische Gewebe, das gezielt durch Hyperthermie erwärmt wird. Als Verlustmechanismen in magnetisch eindomänigen Nanopartikeln, die zur Erwärmung des biologischen Gewebes führen, sind die Neel-Relaxation und die Brown-Relaxation bekannt. Bei größeren Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 100 nm ist die Magnetisierung in mehreren Domänen (Weisssche Bezirke) unterteilt, die zusätzlich Hystereseverluste durch das Ummagnetisieren im magnetischen Wechselfeld aufweisen. Within the coil assembly is the biological tissue that is intentionally heated by hyperthermia. As loss mechanisms in magnetically single-domain nanoparticles that contribute to warming of the biological tissue, Neel relaxation and Brown relaxation are known. For larger nanoparticles with an average diameter of more than 100 nm, the magnetization is subdivided into several domains (Weissian districts), which in addition exhibit hysteresis losses due to remagnetization in the alternating magnetic field.

Die Spulenanordnung kann eine oder mehrere Spulen umfassen, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugen. So kann die Spulenanordnung ein Helmholtzspulenpaar umfassen, in dem zwei Spulen im Abstand R auf der gleichen Achse parallel zueinander angeordnet sind und gleichsinnig von Strom durchflossen werden. Alternativ kann die Spulenanordnung mehrere nebeneinander angeordnete Flachspulen umfassen. Auch möglich ist eine Spulenanordnung mit einer Spule, innerhalb derer gegebenenfalls ein Polschuh angeordnet ist. Um die Spulenanordnung relativ zu dem zu erwärmenden biologischen Gewebe zu positionieren, können die Spulen der Spulenanordnung beweglich gelagert sein. The coil assembly may include one or more coils that generate an alternating magnetic field. Thus, the coil assembly may comprise a Helmholtz coil pair, in which two coils are arranged at a distance R on the same axis parallel to each other and are traversed in the same direction by current. Alternatively, the coil arrangement may comprise a plurality of flat coils arranged next to one another. Also possible is a coil assembly with a coil, within which optionally a pole piece is arranged. To position the coil assembly relative to the biological tissue to be heated, the coils of the coil assembly may be movably supported.

So kann die Spulenanordnung entlang eines zu behandelnden Objekts mit zu erwärmendem Gewebe verschiebbar sein, um das magnetische Wechselfeld an dem zu erwärmenden Gewebe räumlich anzupassen. Insbesondere bei einer Spulenanordnung mit Helmholtzspulenpaar kann weiterhin mindestens eine Spule höhenverstellbar ausgestaltet sein, um das Volumen zwischen den beiden Spulen an die Größe des zu behandelnden Objekts mit dem zu erwärmenden Gewebe anzupassen. Thus, the coil arrangement can be displaceable along an object to be treated with tissue to be heated in order to spatially adapt the alternating magnetic field to the tissue to be heated. In particular, in the case of a coil arrangement with Helmholtz coil pair, at least one coil can furthermore be designed to be height-adjustable in order to adapt the volume between the two coils to the size of the object to be treated with the tissue to be heated.

Aufgrund der Last und der Anpassreaktanzen kann die Frequenz des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung bestimmt werden, bei welcher die erfasste Lastimpedanz der konjugiert komplexen Quellimpedanz des bereitstellenden Frequenzgenerators entspricht. Hierbei bezeichnet die Quellimpedanz die Impedanz des Frequenzgenerators gegebenenfalls gefolgt von einem Leistungsverstärker. Die Lastimpedanz bezeichnet die Impedanz der Spulenanordnung mit gegebenenfalls vorgeschaltetem Anpassungsnetzwerk. Die Frequenz des Wechselstromsignals kann dabei 50 bis 600 kHz, bevorzugt 100 bis 300 kHz betragen. Besonders bevorzugt kommen Frequenzen zwischen 150 und 250 kHz zum Einsatz. Due to the load and matching reactances, the frequency of the AC signal may be determined to operate the hyperthermia device, wherein the detected load impedance corresponds to the conjugate complex source impedance of the providing frequency generator. Here, the source impedance refers to the impedance of the frequency generator, optionally followed by a power amplifier. The load impedance designates the impedance of the coil arrangement with optionally upstream matching network. The frequency of the alternating current signal can be 50 to 600 kHz, preferably 100 to 300 kHz. Particularly preferred frequencies between 150 and 250 kHz are used.

Entspricht die Lastimpedanz der (konjugiert komplexen) Quellimpedanz kann die maximale Leistung des Frequenzgenerators gegebenenfalls verstärkt durch einem Leistungsverstärker in die Spulenanordnung eingespeist werden. So werden Reflexionen an der Last der Hyperthermievorrichtung minimiert. If the load impedance of the (complex conjugate) source impedance corresponds to the maximum power of the frequency generator can be fed into the coil assembly reinforced by a power amplifier, if necessary. This minimizes reflections on the load of the hyperthermia device.

Änderungen der Reaktanzen treten beispielsweise auf, wenn der Abstand in dem Helmholtzspulenpaar aufgrund der Objektgröße verändert wird und sich damit die resultierende Induktivität des Spulenpaares ändert. In gleicher Weise wird beispielsweise bei Plattenkondensatoren die Kapazität verändert, wenn der Abstand zwischen den Platten an die Objektgröße angepasst wird. In solchen Fällen kann nach Anpassen der Hyperthermievorrichtung an die Objektgröße die Lastimpedanz frequenzabhängig bestimmt werden und die jeweils optimale Frequenz zur Leistungseinspeisung ausgewählt werden. Changes in the reactances occur, for example, when the distance in the Helmholtz coil pair is changed due to the object size and thus the resulting inductance of the coil pair changes. In the same way, for example, in the case of plate capacitors, the capacitance is changed if the distance between the plates is adapted to the object size. In such cases, after adapting the hyperthermia device to the object size, the load impedance can be determined as a function of the frequency and the respectively optimum frequency can be selected for power supply.

In einer weiteren Ausführung kann das Wechselstromsignal eines Frequenzgenerators mittels eines Leistungsverstärkers verstärkt werden. So kann eine Leistung im Bereich von 100 bis 1000 W, bevorzugt zwischen 200 und 600 W, bereitgestellt werden, um die Hyperthermievorrichtung zu betreiben. Ausführungsformen umfassen ferner Leistungen zwischen 300 und 500 W. In a further embodiment, the AC signal of a frequency generator can be amplified by means of a power amplifier. Thus, a power in the range of 100 to 1000 W, preferably between 200 and 600 W, can be provided to operate the hyperthermia device. Embodiments also include powers between 300 and 500 W.

Zusätzlich oder alternativ kann das verstärkte Wechselstromsignal mittels eines Anpassungsnetzwerkes, beispielsweise einer kapazitiven und/oder induktiven Beschaltung, angepasst werden. Die Anpassung erfolgt dabei bevorzugt zwischen dem Frequenzgenerator, an den sich gegebenenfalls der Leistungsverstärker anschließt, und der Spulenanordnung. Dadurch wird die reflexionslose Leistungseinspeisung in die Spulenanordnung unter vordefinierten Bedingungen, wie einem vordefinierten Abstand zwischen den Spulen der Spulenanordnung oder einer vordefinierten Temperatur der Spulen, für eine Frequenz des Wechselstromsignals eingestellt. Bei Veränderungen dieser Bedingungen kann die weitere Anpassung frequenzgesteuert gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgen. Dadurch ist lediglich ein Anpassungsnetzwerk notwendig, und ein Zu- oder Wegschalten mehrerer Anpassungsnetzwerke kann vermieden werden. Additionally or alternatively, the amplified AC signal can be adjusted by means of a matching network, for example a capacitive and / or inductive circuit. The adaptation is preferably carried out between the frequency generator, to which optionally the power amplifier is connected, and the coil arrangement. Thereby, the reflectionless power supply is set in the coil arrangement under predefined conditions, such as a predefined distance between the coils of the coil arrangement or a predefined temperature of the coils, for a frequency of the alternating current signal. In the event of changes in these conditions, the further adaptation can be frequency-controlled according to the proposed method. As a result, only one matching network is necessary, and connecting or disconnecting several matching networks can be avoided.

In einer weiteren Ausführung wird die Lastimpedanz durch eine direkte oder eine indirekte Leistungsmessung bestimmt. Bei der direkten Leistungsmessung kann die Lastimpedanz mittels eines Richtkopplers, der zwischen Leistungsverstärker und Anpassungsnetzwerk angeordnet ist, erfasst und insbesondere aus vorlaufender und rücklaufender Leistung berechnet werden. Die direkte Leistungsmessung ermöglicht dabei eine Berechnung der Lastimpedanz aufgrund der Reflexionen an dieser. In another embodiment, the load impedance is determined by a direct or indirect power measurement. In direct power measurement, the load impedance can be detected by means of a directional coupler, which is arranged between the power amplifier and the matching network, and in particular can be calculated from forward and return power. The direct power measurement allows a calculation of the load impedance due to the reflections at this.

Bei indirekter Leistungsmessung kann die Lastimpedanz nach Anpassen des Wechselstromsignals durch das Anpassungsnetzwerk erfasst werden, indem der durch die Spulenanordnung fließende Strom oder die an der Spulenanordnung anliegende Spannung gemessen wird und über die resistive Last berechnet werden. Hierzu eignen sich insbesondere schwach ankoppelnde Loopspulen (Strom) oder schwach angekoppelte kapazitive Spannungsteiler (Spannung). Eine indirekte Messung ist relativ einfach zu realisieren. In indirect power measurement, the load impedance may be detected after adjusting the AC signal through the matching network by measuring the current flowing through the coil assembly or the voltage applied to the coil assembly and being calculated via the resistive load. Low-coupling loop coils (current) or weakly coupled capacitive voltage dividers (voltage) are particularly suitable for this purpose. An indirect measurement is relatively easy to implement.

In einer weiteren Ausführung wird das Wechselstromsignal mit der ausgewählten Frequenz mittels des Frequenzgenerators zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung bereitgestellt. Die Hyperthermievorrichtung kann so unter den Bedingungen betrieben werden, bei denen die Leistungseinspeisung vom Frequenzgenerator in die Spulenanordnung beispielsweise für einen gegebenen Abstand zwischen den Spulen der Spulenanordnung maximal ist. In another embodiment, the AC signal is provided at the selected frequency by means of the frequency generator for operating the hyperthermia device. The hyperthermia device can thus be operated under the conditions in which the power supply from the frequency generator to the coil arrangement is maximal, for example for a given distance between the coils of the coil arrangement.

In einer weiteren Ausführung wird eine Amplitude des Wechselstromsignals beim Durchführen der Schritte a) und b) derart gewählt, dass sie kleiner ist als eine Amplitude des Wechselstromsignals im Betrieb der Hyperthermievorrichtung. Dadurch werden elektronische Komponenten der Hyperthermievorrichtung vor zu hohen Belastungen durch Eingangsreflexionen bei potentiell nicht optimalen Frequenzen geschützt. In another embodiment, an amplitude of the AC signal in performing steps a) and b) is selected to be less than an amplitude of the AC signal during operation of the hyperthermia device. This protects electronic components of the hyperthermia device from excessive exposure to input reflections at potentially non-optimal frequencies.

In einer weiteren Ausführung wird die Frequenz des Wechselstromsignals im Betrieb der Hyperthermievorrichtung derart nachgeregelt, dass die aktuelle Frequenz des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung so gewählt wird, dass die erfasste Lastimpedanz der konjugiert komplexen Quellimpedanz eines das Wechselstromsignal bereitstellenden Frequenzgenerators entspricht. Die aktuelle Frequenz entspricht dabei einer Frequenz, die im Laufe einer Hyperthermiesequenz und damit während der Hyperthermiesequenz gewählt wird. Durch das Nachregeln der Frequenz während der Hyperthermiesequenz können thermisch induzierte Reaktanzänderungen in den Komponenten, wie der Spulen oder des Anpassungsnetzwerkes, für die Leistungsübertragung kompensiert werden. In a further embodiment, the frequency of the AC signal is readjusted during operation of the hyperthermia device such that the current frequency of the AC signal for operating the hyperthermia device is selected such that the detected load impedance corresponds to the complex conjugate source impedance of a frequency generator providing the AC signal. The current frequency corresponds to a frequency which is selected in the course of a Hyperthermiesequenz and thus during the Hyperthermiesequenz. By adjusting the frequency during the hyperthermia sequence, thermally induced reactance changes in the components, such as the coils or the matching network, can be compensated for power transmission.

In einer weiteren Ausführung wird eine Amplitude des Wechselstromsignals beim Nachregeln der aktuellen Frequenz derart gewählt, dass sie kleiner oder gleich der Amplitude des Wechselstromsignals im Betrieb der Hyperthermievorrichtung ist. Wird eine kleinere Amplitude gewählt, können elektronische Komponenten der Hyperthermievorrichtung vor hohen Belastungen durch Eingangsreflexionen bei ungünstigen Frequenzen geschützt werden. Dagegen können bei gleicher Amplitude wie im Betrieb der Hyperthermievorrichtung Nachregelung und Behandlung gleichzeitig durchgeführt werden. In a further embodiment, an amplitude of the alternating current signal when readjusting the current frequency is selected such that it is less than or equal to the amplitude of the alternating current signal during operation of the hyperthermia device. If a smaller amplitude is selected, electronic components of the hyperthermia device can be protected from high loads by input reflections at unfavorable frequencies. By contrast, at the same amplitude as during operation of the hyperthermia device, readjustment and treatment can be performed simultaneously.

In einer Ausführungsform der Hyperthermievorrichtung umfasst die erste Einrichtung einen Richtkoppler, der zwischen einem Verstärker und einem Anpassungsnetzwerk angeordnet ist, oder eine schwach ankoppelnde Loopantenne oder einen schwach ankoppelnden kapazitiven Spannungsteiler. Weiterhin kann die Hyperthermievorrichtung einen Frequenzgenerator umfassen, der ein Wechselstromsignal mit einstellbarer Frequenz erzeugt. In one embodiment of the hyperthermia device, the first device comprises a directional coupler, which is arranged between an amplifier and a matching network, or a weakly coupling loop antenna or a weakly coupling capacitive voltage divider. Furthermore, the hyperthermia device may include a frequency generator that generates an adjustable frequency AC signal.

In einer weiteren Ausführungsform der Hyperthermievorrichtung umfasst die zweite Einrichtung eine Steuereinheit, die die Frequenz des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der erfassten Lastimpedanz einstellt. Vorzugsweise ist die Steuereinheit mit dem Frequenzgenerator und der ersten Einrichtung verbunden, um die erfassten Lastimpedanzen auszuwerten und die entsprechende Frequenz des Wechselstromsignals einzustellen. In a further embodiment of the hyperthermia device, the second device comprises a control unit which adjusts the frequency of the alternating current signal as a function of the detected load impedance. Preferably, the control unit is connected to the frequency generator and the first means for evaluating the detected load impedances and adjusting the corresponding frequency of the AC signal.

Zudem wird ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei der Computereinrichtung kann es sich beispielsweise um die Steuereinheit zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert sein, beispielsweise einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Medium in oder in Zuordnung zu einer programmierbaren Computereinrichtung. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm zum Herunterladen auf eine programmierbare Computereinrichtung bereitgestellt werden, zum Beispiel über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung, wie eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung. In addition, a computer program product for carrying out the method described above is proposed when the computer program is executed on a programmable computer device. The computer device may, for example, be the control unit for operating the hyperthermia device. The computer program may be stored on a machine-readable medium, for example a permanent or rewritable medium in or in association with a programmable computer device. Additionally or alternatively, the computer program may be provided for download to a programmable computing device, for example via a data network, such as the Internet, or a communication link, such as a telephone line or a wireless link.

Die in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen gelten für die Vorrichtung entsprechend. Genauso gelten die in Bezug auf die Vorrichtung beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen für das Verfahren entsprechend. The features and embodiments described in relation to the method apply to the device accordingly. Likewise, the features and embodiments described with respect to the device apply to the method accordingly.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Verfahrensschritte, Merkmale oder Ausführungsformen des Verfahrens oder der Hyperthermievorrichtung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern. Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung die Erfindung näher erläutert. Further possible implementations of the invention also include combinations of method steps, features or embodiments of the method or the hyperthermia device which are not explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. The skilled person will also add or modify individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention. In the following, the invention is explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawing.

Dabei zeigen: Showing:

1 eine Hyperthermievorrichtung mit einer Spulenanordnung, die in eine Objektliege integriert ist; 1 a hyperthermia device having a coil assembly integrated with an object couch;

2 eine Hyperthermievorrichtung mit einer Spulenanordnung, die von einer frequenzgesteuerten Signalquelle 11 betrieben wird; 2 a hyperthermia device with a coil arrangement that is controlled by a frequency-controlled signal source 11 is operated;

3 ein Ersatzschaltbild der Hyperthermievorrichtung aus 2; 3 an equivalent circuit of the hyperthermia device 2 ;

4 einen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung; 4 a flow of a method for operating a Hyperthermievorrichtung;

5 einen frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last bei einer Induktivität von L ≈ 220µH; 5 a frequency-dependent course of the reflection factor r _load at an inductance of L ≈ 220μH;

6 einen weiteren frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last bei einer Induktivität von L ≈ 210µH; 6 a further frequency-dependent course of the reflection factor r _load at an inductance of L ≈ 210μH;

7 einen weiteren frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last bei einer Induktivität von L ≈ 200µH; 7 a further frequency-dependent course of the reflection factor r _load at an inductance of L ≈ 200μH;

8 einen weiteren frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last bei einer Induktivität von L ≈ 190µH; und 8th a further frequency-dependent course of the reflection factor r _load at an inductance of L ≈ 190μH; and

9 eine Superposition weiterer frequenzabhängiger Verläufe des Reflexionsfaktors r_Last Induktivitäten von L ≈ 160 µH, 180 µH, 200 µH, 220 µH, 240 µH; und 9 a superposition of further frequency-dependent characteristics of the reflection factor r _load inductivities of L ≈ 160 μH, 180 μH, 200 μH, 220 μH, 240 μH; and

10 eine Darstellung von Lastimpedanzen Z_Last normiert auf eine Quellimpedanz im Smith Chart mit den aus den 9 bestimmten Hyperthermiefrequenzen. 10 a representation of load impedances Z _load normalized to a source impedance in the Smith chart with those from the 9 certain hyperthermia frequencies.

1 zeigt eine Hyperthermievorrichtung 1 mit einer Spulenanordnung 2, die in eine Objektliege 3 integriert ist. 1 shows a hyperthermia device 1 with a coil arrangement 2 in an object couch 3 is integrated.

In der Hyperthermievorrichtung 1 der 1 dient die Spulenanordnung 2 zum Erwärmen von biologischem Gewebe eines zu behandelnden Objekts 4 durch magnetische Energie. Dazu befindet sich das Objekt 4 in einem Hyperthermievolumen 5, das von zwei Spulen 6, 7 in Helmholtzkonfiguration gebildet wird. Die Spulen 6, 7 sind im Abstand R auf der gleichen Achse 8 parallel zueinander angeordnet. Hierbei ist die Achse 8 der Spulenanordnung 2 senkrecht zur Objektliege 3 ausgerichtet. Die Spulenanordnung 2 ist weiterhin in die Objektliege 3 integriert, die eine Liege 10 mit einer Auflage 9 aufweist. Dazu ist die Spulenanordnung 2 in eine Aussparung der Auflage 9 eingesetzt. In the hyperthermia device 1 of the 1 serves the coil assembly 2 for heating biological tissue of an object to be treated 4 through magnetic energy. This is the object 4 in a hyperthermia volume 5 that of two coils 6 . 7 is formed in Helmholtz configuration. The spools 6 . 7 are at the distance R on the same axis 8th arranged parallel to each other. Here is the axis 8th the coil arrangement 2 perpendicular to the object couch 3 aligned. The coil arrangement 2 is still in the object couch 3 integrated, which is a lounger 10 with an edition 9 having. This is the coil arrangement 2 in a recess of the pad 9 used.

In der Hyperthermievorrichtung 1, wie in 1 gezeigt, können Spulen 7, 8 mit einem Außendurchmesser DA von etwa 154 mm und einem Innendurchmesser DI von etwa 70 mm eingesetzt werden. Weiterhin sind die Spulen 7, 8 so gelagert, dass der Abstand R zwischen den Spulen 7, 8 im Bereich von 40 mm und 100 mm variiert werden kann. Dazu ist insbesondere die obere Spule 7 beweglich gelagert, um ihre Position entlang der Achse 8 der Spulenanordnung 2 zu verschieben und den Raum zwischen den Spulen 7, 8 gegebenenfalls an die Größe des zu behandelnden Objekts 4 anzupassen. In the hyperthermia device 1 , as in 1 Shown can coils 7 . 8th be used with an outer diameter DA of about 154 mm and an inner diameter DI of about 70 mm. Furthermore, the coils 7 . 8th stored so that the distance R between the coils 7 . 8th can be varied in the range of 40 mm and 100 mm. This is especially the upper coil 7 movably mounted to their position along the axis 8th the coil arrangement 2 to move and the space between the coils 7 . 8th optionally to the size of the object to be treated 4 adapt.

Zum Betreiben der Spulenanordnung 2 wird diese von einer Signalquelle 11 über ein Anpassungsnetzwerk 12 mit einem Wechselstromsignal gespeist. Das Anpassungsnetzwerk 12 ist dabei über Signalleitungen 13, 14 mit der Signalquelle 11 verbunden. Durch das Anpassungsnetzwerk 12 wird die Impedanz der Signalquelle 11 an die Impedanz der Spulenanordnung 2 angepasst. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Anpassungsnetzwerk 12 als kapazitives Anpassungsnetzwerk 12 mit Kondensatoren 15, 16, 17 in Resonanzschaltung ausgebildet. Das Wechselstromsignal wird nach dem Anpassungsnetzwerk 12 über Signalleitungen 13, 14 in die Spulenanordnung 2 eingespeist. Um ein magnetisches Wechselfeld mit nahezu gleicher Amplitude zwischen den beiden Spulen (Abstand = mittlerer Spulendurchmesser) zu erzeugen, sind die Spulen 6, 7 über die Signalleitung 18 in Serie geschaltet und werden gleichsinnig von Strom durchflossen. Durch das Wechselstromsignal wird somit ein magnetisches Wechselfeld im Hyperthermievolumen 5 erzeugt. To operate the coil assembly 2 this is from a signal source 11 via an adaptation network 12 fed with an AC signal. The customization network 12 is via signal lines 13 . 14 with the signal source 11 connected. Through the customization network 12 becomes the impedance of the signal source 11 to the impedance of the coil assembly 2 customized. In the embodiment of 1 is the customization network 12 as a capacitive matching network 12 with capacitors 15 . 16 . 17 formed in resonance circuit. The AC signal will go to the matching network 12 via signal lines 13 . 14 in the coil arrangement 2 fed. In order to produce a magnetic alternating field with almost equal amplitude between the two coils (distance = average coil diameter), the coils are 6 . 7 over the signal line 18 connected in series and are flowed through in the same direction by electricity. By the AC signal is thus an alternating magnetic field in Hyperthermievolumen 5 generated.

Zum Erwärmen des biologischen Gewebes werden dem zu behandelnden Objekt 4 eisenoxidhaltige Nanopartikel in einer biologisch verträglichen Flüssigkeit verabreicht. Durch das magnetische Wechselfeld werden weiterhin Schwingungen der Nanopartikel induziert, die durch die Reibungsverluste Wärme erzeugen. So kann das biologische Gewebe gezielt erwärmt und abgetötet werden. For heating the biological tissue become the object to be treated 4 iron oxide-containing nanoparticles administered in a biocompatible liquid. The alternating magnetic field continues to induce oscillations of the nanoparticles, which generate heat through the friction losses. Thus, the biological tissue can be specifically heated and killed.

In der Hyperthermievorrichtung der 1 kann die zur Verfügung stehende elektromagnetische Leistung optimal an die Last, umfassend unter anderem Schaltungsverluste (hauptsächlich Spulenverluste) und Verluste aus den eisenoxidhaltigen Nanopartikeln, abgegeben, wenn die Quellimpedanz Z_Quelle der Signalquelle 11 gleich der konjugiert komplexen Lastimpedanz Z_Last der Spulenanordnung 2 ist. Dies wird durch das Anpassungsnetzwerk 12 theoretisch nur für eine Frequenz erreicht. Sind im Betrieb größere Änderungen der Reaktanzen (Induktivitäts- bzw. Kapazitätswerte) möglich, müsste gemäß herkömmlichen Verfahren das Anpassungsnetzwerk 12 immer neu hardwaremäßig realisiert werden oder verschiedene Anpassungsnetzwerke 12 zu- und weggeschaltet werden. In the hyperthermia device the 1 For example, the available electromagnetic power can be optimally delivered to the load, including, but not limited to, circuit losses (mainly coil losses) and losses from the iron oxide-containing nanoparticles when the source impedance Z is the _{source of} the signal source 11 equal to the complex conjugate load impedance Z _{load of} the coil assembly 2 is. This is done through the customization network 12 theoretically achieved only for one frequency. If larger changes in the reactances (inductance or capacitance values) are possible during operation, the matching network would have to be used in accordance with conventional methods 12 always realizing new hardware or different adaptation networks 12 be switched on and off.

Die Änderung der Reaktanz kann sich dabei zum Beispiel aus einem veränderten Spulenabstand aufgrund der Objektgröße und der daraus resultierenden Induktivität L des Spulenpaares 7, 8 ergeben. Auch thermische Veränderungen der Spulen 7, 8 und des Anpassungsnetzwerkes 12 führen zu Reaktanzänderungen, welche die optimale Betriebsfrequenz der Hyperthermievorrichtung 1 verändern. The change of the reactance may be, for example, an altered coil spacing due to the object size and the resulting inductance L of the coil pair 7 . 8th result. Also thermal changes of the coils 7 . 8th and the adaptation network 12 lead to reactance changes, which is the optimal operating frequency of the hyperthermia device 1 change.

Reaktanzänderungen führen somit dazu, dass die Hyperthermievorrichtung 1 die zur Verfügung stehende Leistung nicht mehr vollständig zum Erwärmen des biologischen Gewebes nutzen kann und dementsprechend nicht mehr unter optimalen Bedingungen betrieben wird. Daher besteht ein Interesse daran, die Impedanzanpassung zu verbessern und flexibler zu gestalten. Reactance changes thus cause the hyperthermia device 1 the available power can no longer be used completely to heat the biological tissue and accordingly is no longer operated under optimal conditions. Therefore, there is an interest in improving impedance matching and making it more flexible.

2 zeigt eine Hyperthermievorrichtung 1 mit einer Spulenanordnung 2, die von einer frequenzgesteuerten Signalquelle 11 betrieben wird. 3 zeigt das entsprechende Ersatzschaltbild der Hyperthermievorrichtung 1 aus 2. 2 shows a hyperthermia device 1 with a coil arrangement 2 from a frequency controlled signal source 11 is operated. 3 shows the corresponding equivalent circuit of the hyperthermia device 1 out 2 ,

Da Hyperthermievorrichtungen 1 die Energie nicht nur bei einer bestimmten Frequenz des Wechselstromsignals übertragen können, wird in der in 2 gezeigten Ausführungsform die Signalquelle 11 so gesteuert, dass die Frequenz des Wechselstromsignals an die Reaktanzveränderungen in der Hyperthermievorrichtung 1 angepasst ist. Dazu wird in der Signalquelle 11 eine Signalerzeugungs- und Messeinheit 19 vorgesehen, die einen frequenzsteuerbaren Oszillator 20 umfasst. Die Frequenz des Oszillators 20 wird über einen Digital-Analog-Wandler 21 mit einem Steuersignal von einem Computer 22 gesteuert. So wird ein Wechselstromsignal mit einer steuerbaren oder einstellbaren Frequenz erzeugt, das anschließend einem Leistungsverstärker 23 zugeführt wird, um Leistungen von etwa 400 W zu realisieren. Because hyperthermia devices 1 which can not transmit energy only at a certain frequency of the AC signal, is in the in 2 In the embodiment shown, the signal source 11 so controlled that the frequency of the AC signal to the reactance changes in the hyperthermia device 1 is adjusted. This is done in the signal source 11 a signal generation and measurement unit 19 provided that a frequency controllable oscillator 20 includes. The frequency of the oscillator 20 is via a digital-to-analog converter 21 with a control signal from a computer 22 controlled. Thus, an AC signal with a controllable or adjustable frequency is generated, which is then a power amplifier 23 is supplied to realize outputs of about 400 W.

Zur Anpassung der Frequenz des Wechselstromsignals an die Reaktanzänderungen in der Hyperthermievorrichtung 1 wird vor der Hyperthermiesequenz die Lastimpedanz Z_Last des Anpassungsnetzwerkes 12 und der Spulenanordnung 2 bei unterschiedlichen Frequenzen bestimmt. Dies erfolgt in 2 durch einen Richtkoppler 24, der ein vorlaufendes Signal 25 und ein rücklaufendes Signal 26 auskoppelt. Die ausgekoppelten Signale 25, 26 werden Messeinheiten 27, 28 zugeführt, die die gemessenen Amplituden zum Bestimmen der Lastimpedanz dem Computer 22 bereitstellen. To adjust the frequency of the AC signal to the reactance changes in the hyperthermia device 1 before the Hyperthermiesequenz the load impedance Z _{load of} the matching network 12 and the coil assembly 2 determined at different frequencies. This is done in 2 through a directional coupler 24 , which is a leading signal 25 and a return signal 26 couples out. The decoupled signals 25 . 26 become measurement units 27 . 28 supplied with the measured amplitudes for determining the load impedance to the computer 22 provide.

Dieser kann zum Beispiel den Reflexionsfaktor r_Last am Anpassungsnetzwerk 12 in dB berechnen. Der Reflexionsfaktor r_Last ergibt dabei sich aus der Lastimpedanz Z_Last der Spulenanordnung 2 und des Anpassungsnetzwerkes 12 und der Quellimpedanz Z_Quelle der Signalquelle 11 zu:

This can, for example, the reflection factor r _load on the matching network 12 calculate in dB. The reflection factor r _load results from the load impedance Z _{load of} the coil arrangement 2 and the adaptation network 12 and the source impedance Z _{source of} the signal source 11 to:

Ist die Lastimpedanz Z_Last gleich der konjugiert komplexen Quellimpedanz Z_Quelle, also Z_Last = Z^* _Quelle, wird 100% der Leistung übertragen. Anhand der gemessenen reflektierten Leistungen können die Lastimpedanzen Z_Last für unterschiedliche Frequenzen berechnet werden. Die Frequenz des Oszillators 20 wird nun so gewählt, dass die Lastimpedanz Z_Last gleich der Quellimpedanz Z^* _Quelle der Signalquelle 11 ist. In dieser Konfiguration kann die maximale Leistungsübertragung innerhalb der Hyperthermievorrichtung 1 erreicht werden und damit die zur Verfügung stehende Leistung optimal genutzt werden. If the load impedance Z _{load is} equal to the complex conjugate source impedance Z _source , ie Z _load = Z ^* _source , 100% of the power is transmitted. Based on the measured reflected powers, the load impedances Z _Last can be calculated for different frequencies. The frequency of the oscillator 20 it will be like this chosen that the load impedance Z _load equal to the source impedance Z ^* _{source of} the signal source 11 is. In this configuration, the maximum power transfer within the hyperthermia device 1 be achieved and thus the available power can be optimally used.

In einer alternativen Ausführungsform kann das Erfassen der Lastimpedanz Z_Last statt direkt mittels Richtkoppler 24 auch indirekt erfolgen. Dabei wird, wie in 1 durch Bezugszeichen 29 angedeutet, statt eines Richtkopplers 24 eine Messung des durch die Spulenanordnung 2 fließenden Stromes durch eine Loopantenne oder der an der Spulenanordnung 2 anliegenden Spannung durch einen schwach ankoppelnden z.B. kapazitiven Spannungsteiler durchgeführt. In an alternative embodiment, the detection of the load impedance Z _load instead of directly by means of directional coupler 24 also done indirectly. It will, as in 1 by reference numerals 29 indicated, instead of a directional coupler 24 a measurement of the through the coil assembly 2 flowing current through a loop antenna or at the coil assembly 2 voltage applied by a weak coupling eg capacitive voltage divider performed.

4 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer Hyperthermievorrichtung 1. 4 shows a flow of a method for operating a Hyperthermievorrichtung 1 ,

In einem ersten Schritt S1 wird die Lastimpedanz Z_Last der Hyperthermievorrichtung 1 bei unterschiedlichen Frequenzen des Wechselstromsignals bestimmt. In einem zweiten Schritt S2 wird die Frequenz des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung 1 in Abhängigkeit von der erfassten Lastimpedanz Z_Last gewählt. Dabei wird die Frequenz des Wechselstromsignals gewählt, bei der die erfasste Lastimpedanz Z_Last der (konjugiert komplexen) Quellimpedanz Z_Quelle der Signalquelle 11 entspricht. Die Notwendigkeit derartiger Anpassungen des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung 1 können sich zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Abstände zwischen den Spulen 7, 8 ergeben. Die Schritte S1 und S2 werden daher vor der Hyperthermiesequenz durchgeführt, so dass die Spulenanordnung mit dem Wechselstromsignal mit der gewählten optimalen Frequenz gespeist werden kann. In a first step S1, the load impedance Z becomes _{load of} the hyperthermia device 1 determined at different frequencies of the alternating current signal. In a second step S2, the frequency of the AC signal is used to operate the hyperthermia device 1 selected as a function of the detected load impedance Z _load . In this case, the frequency of the alternating current signal is selected at which the detected load impedance Z _{load of} the (complex conjugate) source impedance Z _{source of} the signal source 11 equivalent. The need for such adaptations of the AC signal to operate the hyperthermia device 1 may, for example, due to different distances between the coils 7 . 8th result. Steps S1 and S2 are therefore performed prior to the hyperthermia sequence, so that the coil assembly can be fed with the AC signal at the selected optimum frequency.

Nachdem der optimale Frequenzpunkt vor der eigentlichen Hyperthermiesequenz gefunden wurde, können sich aufgrund thermischer Erwärmung auch im Betrieb die Reaktanzen ändern. Um auch im Betrieb immer die maximal mögliche Leistung an die Last geben zu können, können die Schritte S1 und S2 auch während der Hyperthermiesequenz durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise während des Betriebs der Hyperthermievorrichtung 1 bei kleineren Amplituden des Wechselstromsignals als im Betrieb erfolgen. Dies führt zu kurzen Unterbrechungen der Hyperthermiesequenz, in denen die Lastimpedanz und der Reflexionsfaktor von einen oder mehreren Frequenzen größer oder kleiner der Betriebsfrequenz ermittelt werden und bei Bedarf die Betriebsfrequenz nachgeregelt wird. Damit wird die Frequenz des Wechselstromsignals im Betrieb der Hyperthermievorrichtung 1 derart nachgeregelt, dass die aktuelle Frequenz des Wechselstromsignals zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung 1 so gewählt wird, dass die erfasste Lastimpedanz Z_Last der konjugiert komplexen Quellimpedanz Z_Quelle der das Wechselstromsignal bereitstellenden Signalquelle 11 entspricht. After the optimal frequency point has been found before the actual hyperthermia sequence, the reactances can also change during operation due to thermal heating. In order to always be able to give the maximum possible power to the load during operation, steps S1 and S2 can also be carried out during the hyperthermia sequence. This may be, for example, during operation of the hyperthermia device 1 at smaller amplitudes of the AC signal than during operation. This leads to short interruptions of Hyperthermiesequenz in which the load impedance and the reflection factor of one or more frequencies are determined to be greater or smaller than the operating frequency and, if necessary, the operating frequency is readjusted. Thus, the frequency of the AC signal in the operation of Hyperthermievorrichtung 1 readjusted so that the current frequency of the AC signal for operating the Hyperthermievorrichtung 1 is chosen so that the detected load impedance Z _{load of} the complex conjugate source impedance Z _source of the signal source providing the AC signal 11 equivalent.

Die 5 bis 8 zeigen einen frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last bei unterschiedlichen Induktivitäten. The 5 to 8th show a frequency-dependent course of the reflection factor r _load at different inductances.

In 5 ist der Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last gegen die Frequenz F in Hz aufgetragen. Der der 5 zugrunde liegende Abstand R zwischen den Spulen 7, 8 ergibt dabei eine Induktivität von L ≈ 220µH. Aus dem Verlauf der 5 ergibt sich zur optimalen Leistungsübertragung eine Frequenz 31 von ca. 190 kHz. Ein Reflexionsfaktor von r_Last < –20dB bedeutet dabei, dass mindestens 99% der zur Verfügung stehenden Leistung bei dieser Frequenz an die Last abgegeben werden. In 5 the course of the reflection factor r _{load is} plotted against the frequency F in Hz. The the 5 underlying distance R between the coils 7 . 8th gives an inductance of L ≈ 220μH. From the course of 5 results in a frequency for optimum power transmission 31 of about 190 kHz. A reflection factor of r _load <-20dB means that at least 99% of the available power is delivered to the load at this frequency.

6 zeigt den entsprechenden Verlauf des Reflexionsfaktors r_Last bei einer Induktivität von L ≈ 210µH. Die Frequenz 32 zur optimalen Leistungsübertragung liegt hier bei ca. 195 kHz. In 7 liegt die Frequenz 33, 34 für eine Induktivität von L ≈ 200µH bei 200 kHz und in 8 für eine Induktivität von L ≈ 190µH bei 250 kHz. Aus den 5 bis 8 ergibt sich somit jeweils die optimale Frequenz zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung 1 in Abhängigkeit von der Induktivität L und damit vom Abstand R zwischen den Spulen 7, 8. 6 shows the corresponding course of the reflection factor r _load at an inductance of L ≈ 210μH. The frequency 32 for optimum power transmission is here at about 195 kHz. In 7 is the frequency 33 . 34 for an inductance of L ≈ 200μH at 200 kHz and in 8th for an inductance of L ≈ 190μH at 250 kHz. From the 5 to 8th Thus, in each case, the optimum frequency for operating the hyperthermia device results 1 as a function of the inductance L and thus of the distance R between the coils 7 . 8th ,

9 zeigt eine Superposition weiterer frequenzabhängiger Verläufe des Reflexionsfaktors r_Last bei Induktivitäten von L ≈ 160 µH, 180 µH, 200 µH, 220 µH, 240 µH. 9 shows a superposition of further frequency-dependent curves of the reflection factor r _load at inductances of L ≈ 160 μH, 180 μH, 200 μH, 220 μH, 240 μH.

Wie in den 5 bis 8 ergeben sich auch aus 9 unterschiedliche Hyperthermiefrequenzen 35, 36, 37, 38, 39, bei denen der Hyperthermievorrichtung 1 die maximale Leistung zur Verfügung steht. As in the 5 to 8th also arise 9 different hyperthermia frequencies 35 . 36 . 37 . 38 . 39 in which the hyperthermia device 1 the maximum power is available.

10 zeigt eine Darstellung von Lastimpedanzen Z_Last normiert auf eine Quellimpedanz Z_Quelle im Smith Chart mit den Lastimpedanzen Z_Last, die der 9 entsprechen. 10 shows a representation of load impedances Z _load normalized to a source impedance Z _source in the Smith chart with the load impedances Z _load being the 9 correspond.

Im Smith Chart sind die entsprechenden Lastimpedanzen Z_Last für die Hyperthermiefrequenzen 35, 36, 37, 38, 39 aufgetragen. Bei den Hyperthermiefrequenzen 35, 36, 37, 38, 39 schwanken diese zwischen 0.8·Z_Quelle und 1.2·Z_Quelle, also zwischen 40 und 60 Ohm reell, wenn eine Quellimpedanz Z_Quelle von 50 Ohm reell zugrunde gelegt wird. Durch die entsprechende Frequenzwahl bei Reaktanzänderungen, etwa einer Änderung des Spulenabstandes, wird in diesem Fall also näherungsweise der Imaginärteil der Lastimpedanz Z_Last Null, während der Realteil (40–60 Ohm) von seinem optimalen Wert von 50 Ohm, auf den er ursprünglich angepasst ist, mit steigender Reaktanzänderung und der Frequenzanpassung langsam abweicht. In the Smith chart, the corresponding load impedances Z are _load for the hyperthermia frequencies 35 . 36 . 37 . 38 . 39 applied. At the hyperthermia frequencies 35 . 36 . 37 . 38 . 39 these fluctuate between 0.8 · Z _source and 1.2 · Z _source , ie between 40 and 60 ohms real, assuming a source impedance Z _source of 50 ohms real. In this case, by choosing the appropriate frequency for reactance changes, such as changing the coil spacing, approximately the imaginary part of the load impedance Z becomes zero _load , while the real part (40-60 ohms) changes from its optimum value of 50 ohms to which it is originally fitted , slowly deviates with increasing reactance change and frequency matching.

Insgesamt bietet das vorgeschlagene Verfahren eine flexible Lösung zum Betreiben der Hyperthermievorrichtung 1, da statt einer in Hardware realisierten, aufwendigen Impedanzanpassung eine softwaregesteuerte Frequenzanpassung stattfindet. So können Leistungseinbußen aufgrund von Reflexionen in der Hyperthermievorrichtung 1 verringert werden und Hyperthermiesequenzen mit der maximalen Leistungsübertragung realisiert werden. Overall, the proposed method offers a flexible solution for operating the hyperthermia device 1 because a software-controlled frequency adaptation takes place instead of an elaborate impedance adaptation realized in hardware. Thus, performance losses can be due to reflections in the hyperthermia device 1 can be reduced and Hyperthermiesequenzen be realized with the maximum power transmission.

Obwohl die Erfindung vorliegend anhand verschiedener Ausführungsbeispiel beschreiben wurde, ist sie hierauf nicht beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Although the invention has been described herein with reference to various embodiments, it is not limited thereto, but variously modifiable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011004666 A1 [0004]

Claims

Method for operating a hyperthermia device ( 1 ) with a coil arrangement ( 2 ) operable with an AC signal, comprising the steps of: detecting (S1) a load impedance (Z _load ) of the hyperthermia device at different frequencies (F) of the AC signal; and selecting (S2) the frequency (F) of the AC signal to operate the hyperthermia device ( 1 ) as a function of the detected load impedance (Z _load ).

Method according to claim 1, characterized in that the frequency (F) of the alternating current signal for operating the hyperthermia device ( 1 ), in which the detected load impedance (Z _load ) of a source impedance (Z _source ) of a frequency generator providing the AC signal ( 20 ) corresponds.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the load impedance (Z _load ) is determined by a direct or an indirect power measurement.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that the AC signal of the frequency generator ( 20 ) by means of a power amplifier ( 23 ) is strengthened.

Method according to Claim 4, characterized in that the amplified AC signal is obtained by means of a matching network ( 12 ) is adjusted.

A method according to claim 4 or 5, characterized in that the load impedance (Z _load ) in the direct power measurement by means of a directional coupler ( 24 ) detected between the power amplifier ( 23 ) and the Adaptation Network ( 12 ) is arranged.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the load impedance (Z _load ) in the indirect power measurement after adjusting the AC signal by measuring the on the through the coil assembly ( 2 ) flowing current or at the coil arrangement ( 2 ) voltage is detected.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the alternating current signal with the selected frequency by means of a frequency generator ( 20 ) for operating the hyperthermia device ( 1 ) provided.

Method according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the alternating current signal having the selected frequency is applied to the coil arrangement ( 2 ) is applied.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that an amplitude of the alternating current signal when detecting (S1) a load impedance (Z _load ) and / or the selection (S2) of the frequency (F) is selected such that it is smaller than an amplitude of the AC signal during operation of the hyperthermia device ( 1 ).

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the frequency of the AC signal during operation of the hyperthermia device ( 1 ) is adjusted so that the current frequency of the AC signal for operating the hyperthermia device ( 1 ) is selected such that the detected load impedance (Z _load ) of a source impedance (Z _source ) of a frequency generator providing the AC signal ( 20 ) corresponds.

Method according to Claim 11, characterized in that an amplitude of the alternating current signal during readjustment is selected such that it is less than or equal to the amplitude of the alternating current signal during operation of the hyperthermia device ( 1 ).

Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the coil arrangement ( 2 ) of the hyperthermia device ( 1 ) at least one height-adjustable coil ( 7 . 8th ).

Computer program product for carrying out the method according to one of Claims 1 to 13, when the computer program is stored on a programmable computer device ( 22 ) is performed.

Hyperthermia device ( 1 ) for heating biological tissue with a coil assembly ( 2 ), comprising: a first device ( 24 ) for detecting a load impedance (Z _load ) of the coil arrangement ( 2 ) at different frequencies of the AC signal, and a second device ( 20 ) for adjusting the frequency of the AC signal in response to the detected load impedance (Z _load ).