一種控制磁納米粒子加熱區域的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及磁納米熱療的技術領域，設及用于磁納米粒子加熱的結構，尤其設及 一種可選擇區域進行熱療加熱的磁納米粒子熱療結構，更具體地是設及一種控制磁納米粒 子加熱區域W實現磁納米粒子祀向熱療的裝置及其實現方法，該祀向熱療裝置特別適用于 針對腫瘤與病變組織的熱療。
【背景技術】
[0002] 熱療是一種常見的物理治療方式，主要是將生物體內病變機體組織加熱W致其死 亡的治療方式。在熱療的過程中，當生物體全身或某一局部區域被加熱其溫度上升時，會導 致血管擴張，增加治療部位的血流量。在增加治療部位血流量的同時，熱療可W加速身體的 新陳代謝，讓營養物質快速到達受傷的部位，促使組織的愈合。另外，熱療還可W激發生物 體的免疫系統消滅病毒、病菌W及寄生蟲。而腫瘤熱療則利用癌細胞較正常細胞不耐熱的 生理現象，將腫瘤組織加熱后殺死腫瘤細胞，是一種稱為高溫熱療的熱療方法之一，是繼手 術、放療和化療之后的"綠色療法"。腫瘤熱療一般分為全身熱療、局域熱療兩種。局域熱療 使腫瘤組織局部溫度達到42. 5°CW上，能在相對較短的時間內殺滅癌細胞，而對周圍的正 常細胞和組織有較少的損傷。目前，局域熱療按照加熱方式可W分為微波福射、射頻福射、 超聲波聚焦、電阻加熱、交變磁場加熱磁粒子等方法。微波福射、射頻福射、超聲波聚焦、電 阻加熱等傳統熱療方式由于各種缺點正逐步被交變磁場加熱磁粒子的方式所取代。
[0003] 交變磁場加熱磁粒子的方式是近幾年新興的一種熱療方式，將磁性粒子材料注入 或祀向植入病變組織，在外部施加交變磁場。由于滿流損耗、磁滯損耗的存在致使磁性材料 產生熱量，熱量的產生與磁場強度、頻率、磁粒子尺寸、數量及磁場方向均有關。當磁性粒子 為納米級磁性粒子流體時，在交變磁場的激勵下主要由磁滯損耗產生熱量。在熱療的過程 中，機體的加熱區域由加熱的交變磁場及磁納米粒子的分布決定，然而由于磁粒子的流動 性，磁納米粒子流體將不可避免的擴散到正常組織，致使正常組織也會受到加熱甚至被損 傷。
[0004] 東南大學在中國發明專利申請號為201110144541. 8中提出了一種基于復合磁場 的磁性納米顆粒磁感應熱聚焦系統，在產生交變磁場的裝置兩側設置同極相對的永磁體， 該永磁體與產生交變磁場的裝置的中屯、線的距離大致相等，通過在交變磁場上疊加永磁體 產生的恒定磁場來實現對磁性納米顆粒熱效應的控制和對分散有磁性納米顆粒區域內局 部位置的選擇性升溫。但是，在該技術方案中用永磁體產生的磁場是恒定的，在永磁體一旦 安裝到位后只有相對的永磁體磁極中屯、處的磁性納米粒子熱效應可W控制，若需熱療的機 體組織不在磁極的中屯、處，則無法根據腫瘤區域的位置和形狀來靈活調整選擇加熱區域， 難W在實踐中使用。 陽0化]綜上所述，現有的磁納米熱療結構針對磁納米粒子流體所在組織進行加熱，加熱 區域的選擇完全由磁性納米粒子流體確定，或者只能對特定區域加熱。因而，造成了一方面 加熱區域不完全可控，另一方面正常組織易損傷。
【發明內容】
[0006] 為了解決傳統熱療結構加熱區域不完全可控運一技術問題，本發明提出了一種控 制磁納米粒子加熱區域的裝置及方法，實現了一種具有加熱區域可控，保護正常組織的特 性的熱療結構。
[0007] 本發明目的在于提供了一種新的可選擇加熱區域的磁納米粒子熱療結構，該結構 通過驅動電路調整輸入各組加熱區域選擇線圈的直流電流的大小來控制裝置內各個空間 區域直流（靜）磁場的強度，從而實現對加熱區域的位置及尺寸的控制，最終達到有選擇性 的對病變組織進行加熱的目的。磁納米粒子加熱是利用施加在加熱線圈上的交變磁場使磁 納米粒子流體產生磁滯損耗，從而釋放熱量將所在區域的機體組織加熱，與此同時，利用加 熱區域選擇線圈在交變磁場垂直的方向上施加靜磁場可顯著地降低機體組織的特定吸收 率（SpecificAbscxrptionRate),通過加熱區域選擇線圈的靜磁場的設置使得需加熱的病 變組織所在區域的直流磁場為零（或低于某闊值），而周圍的正常組織直流磁場相對高很 多，從而實現了對病變組織選擇性的加熱，盡管可能周圍正常組織中可能存在磁性納米粒 子流體，但卻由于較高的直流磁場的存在避免了對正常組織的損傷。
[0008] 一種控制磁納米粒子加熱區域的裝置，包括至少一個加熱線圈組、至少兩個加熱 區域選擇線圈和與加熱線圈組、加熱區域選擇線圈相連接的驅動電路和控制電路；
[0009] 所述加熱線圈組產生用于使磁納米粒子產生熱量的交變的加熱磁場；
[0010] 所述加熱區域選擇線圈產生加熱區域選擇靜磁場，通過所述驅動電路調整輸入各 個加熱區域選擇線圈的直流電流的大小來控制加熱區域選擇靜磁場的區域和強度；
[0011] 加熱區域選擇線圈與一個加熱線圈組相關聯，加熱區域選擇線圈至少部分地圍繞 加熱線圈所產生的加熱磁場的邊緣分布，加熱區域選擇線圈所產生的靜磁場的方向垂直于 相關聯的加熱線圈組的加熱磁場的方向，使得加熱線圈組所產生的加熱磁場上至少部分地 疊加有與該加熱磁場方向垂直的加熱區域選擇靜磁場，且在加熱磁場所覆蓋的需要加熱的 區域上疊加的垂直方向上的加熱區域選擇靜磁場強度小、在加熱磁場所覆蓋的不需要加熱 的區域上疊加的垂直方向上的加熱區域選擇靜磁場強度大。
[0012] 所述在加熱磁場所覆蓋的不需要加熱的區域上所疊加的垂直方向上的加熱區域 選擇靜磁場的強度遠大于加熱磁場的強度，使得該區域內的磁納米粒子在加熱磁場作用下 幾乎不產生熱量或僅產生較少的熱量。
[0013] 所述加熱線圈組包括至少兩個加熱線圈，W使得在所需加熱的區域上產生強度均 勻分布的交變加熱磁場；每組所述加熱線圈的邊緣均勻布置有與其相關聯的多組加熱區域 選擇線圈。
[0014] 所述控制磁納米粒子加熱區域的裝置包括一組加熱線圈和八個加熱區域選擇線 圈，加熱線圈組包括兩個加熱線圈；所述兩個加熱線圈W共軸線方式對稱設置于兩個平行 平面內；所述八個加熱區域選擇線圈設置在兩個加熱線圈之間、繞兩個加熱線圈的邊緣分 布，且每個加熱區域選擇線圈設置于與兩個加熱線圈的軸線平行的八個平面上；所述八個 加熱區域選擇線圈中兩兩關于加熱線圈的軸線對稱。
[0015] 其控制磁納米粒子加熱區域的方法，步驟如下：
[0016] 步驟1，根據加熱對象確定加熱區域選擇線圈的分布半徑；
[0017] 步驟2,根據加熱對象所需的加熱區域疏密確定加熱區域選擇線圈的數量；
[0018] 步驟3,根據加熱區域選擇線圈的分布半徑及數量確定每個加熱區域選擇線圈的 半徑；
[0019] 步驟4,根據所需靜磁場強度確定加熱區域選擇線圈的應數；
[0020] 步驟5,根據加熱區域選擇線圈分布半徑確定加熱線圈的半徑；
[0021] 步驟6,根據磁納米粒子粒徑及特性確定加熱線圈的應數。
[0022] 所述加熱區域選擇線圈的分布半徑的實現方法是：根據熱療結構所針對的需加熱 的最大機體的橫截面積，計算出能覆蓋此橫截面的最小覆蓋圓，確定出該最小覆蓋圓的半 徑；然后使加熱區域選擇線圈的分布半徑大于該最小覆蓋圓的半徑，確定出加熱區域選擇 線圈的分布半徑。
[0023] 所述加熱區域選擇線圈的數量、半徑及應數的確定方法是：
[0024] ①i= 1，j= 1，初始化加熱區域選擇線圈的數量n、電流Ii、應數Ni、加熱線圈半 徑r，根據加熱機體橫截面確定加熱區域選擇線圈的分布半徑；
[00巧]②將整個加熱區域選擇線圈分布區域分割為若干個病變組織區域，并編號為Q，，j的最大值為病變組織區域的個數，并對每一個分割的病變組織區域Q，進行離散化； W26] ③對第j個病變組織區域Q，按加熱區域選擇線圈區域選擇的計算模型
進行計算；其中，Hpiy為各個加熱區域選擇線圈在P點處y軸上的分 量，Hpu為各個加熱區域選擇線圈在P點處上的分量，f(I1)為對應于P點處y軸方向上 的磁場場強分量關于各加熱區域選擇線圈內電流的函數，g(Ii)為對應于P點處Z軸上的磁 場場強分量關于各加熱區域選擇線圈的電流的函數，C為任意小的值；
[0027] ④若上述加熱區域選擇線圈區域選擇的計算模型在第Q，個區域范圍內收斂，則i =i+1，若所有病變組織區域對上述加熱區域選擇線圈區域選擇的計算模型均收斂則轉至 ⑥；否則j=j+1，轉至③對下一個病變組織區域進行計算；若上述加熱區域選擇線圈區域 選擇的計算模型在病變組織區域Q,內不收斂，則增加加熱區域選擇線圈的應數N1，若應數 Ni未達到加熱磁場場強的最大值的上限轉至②，若加熱區域選擇線圈的線圈應數N1達到加 熱磁場場強的最大值的上限，則增加加熱區域選擇線圈的數量n，并改變加熱區域選擇線圈 的半徑r，然后轉至②；
[0028] ⑥確定加熱區域選擇線圈數量n、半徑r及應數Ni,計算過程完成。
[0029] 所述加熱線圈為類赫姆霍茲線圈，加熱線圈的半徑大于等于加熱區域選擇線圈的 分布半徑，兩加熱線圈之間的距離為加熱區域選擇線圈的直徑。
[0030] 所述加熱線圈在加熱區域選擇磁場的作用下，在近似零直流磁場的加熱區域內產 生的熱功率的計算模型
[0031]
陽0巧其中，y。為真空磁導率，Ms為磁性納米粒子的飽和磁化強度，H。為磁性納米粒子 的矯頑力，P為磁性納米粒子的密度，f為施加在加熱線圈上的交變磁場頻率，X"(f)是復 磁化率的虛部<