CN105169560A - 一种控制磁纳米粒子加热区域的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制磁纳米粒子加热区域的装置，包括至少一个加热线圈组、至少两个加热区域选择线圈和与加热线圈组、加热区域选择线圈相连接的驱动电路和控制电路；加热区域选择线圈与一个加热线圈组相关联，加热区域选择线圈至少部分地围绕加热线圈所产生的加热磁场的边缘分布。根据所需要的不同加热区域位置，计算出对应的直流选择磁场、交流加热磁场场强及频率。在直流选择磁场和交流加热磁场的共同作用下，可实现对选取的特定区域病变组织加热，而正常组织则由于区域的选择性免受损伤。本发明根据所选定对病变组织进行加热的加热区域，确定出对加热区域进行选择的选择磁场及加热磁场的场强及频率，实现加热、杀死病变组织，保护正常组织。

Description

一种控制磁纳米粒子加热区域的装置及方法

技术领域

本发明涉及磁纳米热疗的技术领域，涉及用于磁纳米粒子加热的结构，尤其涉及一种可选择区域进行热疗加热的磁纳米粒子热疗结构，更具体地是涉及一种控制磁纳米粒子加热区域以实现磁纳米粒子靶向热疗的装置及其实现方法，该靶向热疗装置特别适用于针对肿瘤与病变组织的热疗。

背景技术

热疗是一种常见的物理治疗方式，主要是将生物体内病变机体组织加热以致其死亡的治疗方式。在热疗的过程中，当生物体全身或某一局部区域被加热其温度上升时，会导致血管扩张，增加治疗部位的血流量。在增加治疗部位血流量的同时，热疗可以加速身体的新陈代谢，让营养物质快速到达受伤的部位，促使组织的愈合。另外，热疗还可以激发生物体的免疫系统消灭病毒、病菌以及寄生虫。而肿瘤热疗则利用癌细胞较正常细胞不耐热的生理现象，将肿瘤组织加热后杀死肿瘤细胞，是一种称为高温热疗的热疗方法之一，是继手术、放疗和化疗之后的“绿色疗法”。肿瘤热疗一般分为全身热疗、局域热疗两种。局域热疗使肿瘤组织局部温度达到42.5℃以上，能在相对较短的时间内杀灭癌细胞，而对周围的正常细胞和组织有较少的损伤。目前，局域热疗按照加热方式可以分为微波辐射、射频辐射、超声波聚焦、电阻加热、交变磁场加热磁粒子等方法。微波辐射、射频辐射、超声波聚焦、电阻加热等传统热疗方式由于各种缺点正逐步被交变磁场加热磁粒子的方式所取代。

交变磁场加热磁粒子的方式是近几年新兴的一种热疗方式，将磁性粒子材料注入或靶向植入病变组织，在外部施加交变磁场。由于涡流损耗、磁滞损耗的存在致使磁性材料产生热量，热量的产生与磁场强度、频率、磁粒子尺寸、数量及磁场方向均有关。当磁性粒子为纳米级磁性粒子流体时，在交变磁场的激励下主要由磁滞损耗产生热量。在热疗的过程中，机体的加热区域由加热的交变磁场及磁纳米粒子的分布决定，然而由于磁粒子的流动性，磁纳米粒子流体将不可避免的扩散到正常组织，致使正常组织也会受到加热甚至被损伤。

东南大学在中国发明专利申请号为201110144541.8中提出了一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，在产生交变磁场的装置两侧设置同极相对的永磁体，该永磁体与产生交变磁场的装置的中心线的距离大致相等，通过在交变磁场上叠加永磁体产生的恒定磁场来实现对磁性纳米颗粒热效应的控制和对分散有磁性纳米颗粒区域内局部位置的选择性升温。但是，在该技术方案中用永磁体产生的磁场是恒定的，在永磁体一旦安装到位后只有相对的永磁体磁极中心处的磁性纳米粒子热效应可以控制，若需热疗的机体组织不在磁极的中心处，则无法根据肿瘤区域的位置和形状来灵活调整选择加热区域，难以在实践中使用。

综上所述，现有的磁纳米热疗结构针对磁纳米粒子流体所在组织进行加热，加热区域的选择完全由磁性纳米粒子流体确定，或者只能对特定区域加热。因而，造成了一方面加热区域不完全可控，另一方面正常组织易损伤。

发明内容

为了解决传统热疗结构加热区域不完全可控这一技术问题，本发明提出了一种控制磁纳米粒子加热区域的装置及方法，实现了一种具有加热区域可控，保护正常组织的特性的热疗结构。

本发明目的在于提供了一种新的可选择加热区域的磁纳米粒子热疗结构，该结构通过驱动电路调整输入各组加热区域选择线圈的直流电流的大小来控制装置内各个空间区域直流(静)磁场的强度，从而实现对加热区域的位置及尺寸的控制，最终达到有选择性的对病变组织进行加热的目的。磁纳米粒子加热是利用施加在加热线圈上的交变磁场使磁纳米粒子流体产生磁滞损耗，从而释放热量将所在区域的机体组织加热，与此同时，利用加热区域选择线圈在交变磁场垂直的方向上施加静磁场可显著地降低机体组织的特定吸收率(SpecificAbsorptionRate)，通过加热区域选择线圈的静磁场的设置使得需加热的病变组织所在区域的直流磁场为零(或低于某阈值)，而周围的正常组织直流磁场相对高很多，从而实现了对病变组织选择性的加热，尽管可能周围正常组织中可能存在磁性纳米粒子流体，但却由于较高的直流磁场的存在避免了对正常组织的损伤。

一种控制磁纳米粒子加热区域的装置，包括至少一个加热线圈组、至少两个加热区域选择线圈和与加热线圈组、加热区域选择线圈相连接的驱动电路和控制电路；

所述加热线圈组产生用于使磁纳米粒子产生热量的交变的加热磁场；

所述加热区域选择线圈产生加热区域选择静磁场，通过所述驱动电路调整输入各个加热区域选择线圈的直流电流的大小来控制加热区域选择静磁场的区域和强度；

加热区域选择线圈与一个加热线圈组相关联，加热区域选择线圈至少部分地围绕加热线圈所产生的加热磁场的边缘分布，加热区域选择线圈所产生的静磁场的方向垂直于相关联的加热线圈组的加热磁场的方向，使得加热线圈组所产生的加热磁场上至少部分地叠加有与该加热磁场方向垂直的加热区域选择静磁场，且在加热磁场所覆盖的需要加热的区域上叠加的垂直方向上的加热区域选择静磁场强度小、在加热磁场所覆盖的不需要加热的区域上叠加的垂直方向上的加热区域选择静磁场强度大。

所述在加热磁场所覆盖的不需要加热的区域上所叠加的垂直方向上的加热区域选择静磁场的强度远大于加热磁场的强度，使得该区域内的磁纳米粒子在加热磁场作用下几乎不产生热量或仅产生较少的热量。

所述加热线圈组包括至少两个加热线圈，以使得在所需加热的区域上产生强度均匀分布的交变加热磁场；每组所述加热线圈的边缘均匀布置有与其相关联的多组加热区域选择线圈。

所述控制磁纳米粒子加热区域的装置包括一组加热线圈和八个加热区域选择线圈，加热线圈组包括两个加热线圈；所述两个加热线圈以共轴线方式对称设置于两个平行平面内；所述八个加热区域选择线圈设置在两个加热线圈之间、绕两个加热线圈的边缘分布，且每个加热区域选择线圈设置于与两个加热线圈的轴线平行的八个平面上；所述八个加热区域选择线圈中两两关于加热线圈的轴线对称。

其控制磁纳米粒子加热区域的方法，步骤如下：

步骤1，根据加热对象确定加热区域选择线圈的分布半径；

步骤2，根据加热对象所需的加热区域疏密确定加热区域选择线圈的数量；

步骤3，根据加热区域选择线圈的分布半径及数量确定每个加热区域选择线圈的半径；

步骤4，根据所需静磁场强度确定加热区域选择线圈的匝数；

步骤5，根据加热区域选择线圈分布半径确定加热线圈的半径；

步骤6，根据磁纳米粒子粒径及特性确定加热线圈的匝数。

所述加热区域选择线圈的分布半径的实现方法是：根据热疗结构所针对的需加热的最大机体的横截面积，计算出能覆盖此横截面的最小覆盖圆，确定出该最小覆盖圆的半径；然后使加热区域选择线圈的分布半径大于该最小覆盖圆的半径，确定出加热区域选择线圈的分布半径。

所述加热区域选择线圈的数量、半径及匝数的确定方法是：

①i＝1，j＝1，初始化加热区域选择线圈的数量n、电流I_i、匝数N_i、加热线圈半径r，根据加热机体横截面确定加热区域选择线圈的分布半径；

②将整个加热区域选择线圈分布区域分割为若干个病变组织区域，并编号为Ω_j，j的最大值为病变组织区域的个数，并对每一个分割的病变组织区域Ω_j进行离散化；

③对第j个病变组织区域Ω_j按加热区域选择线圈区域选择的计算模型 $\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{piy}}=f(I_i,N_i)=0\\ \underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{piz}}=g(I_i,N_i)=0\\ \underset{{\mathrm{\Ω}}_j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{pi}}\≤\mathrm{\ζ},p\∈{\mathrm{\Ω}}_j\end{array}\right.$ 进行计算；其中，H_piy为各个加热区域选择线圈在p点处y轴上的分量，H_piz为各个加热区域选择线圈在p点处_z轴上的分量，f(I_i)为对应于p点处y轴方向上的磁场场强分量关于各加热区域选择线圈内电流的函数，g(I_i)为对应于p点处z轴上的磁场场强分量关于各加热区域选择线圈的电流的函数，ζ为任意小的值；

④若上述加热区域选择线圈区域选择的计算模型在第Ω_j个区域范围内收敛，则i＝i+1，若所有病变组织区域对上述加热区域选择线圈区域选择的计算模型均收敛则转至⑤；否则j＝j+1，转至③对下一个病变组织区域进行计算；若上述加热区域选择线圈区域选择的计算模型在病变组织区域Ω_j内不收敛，则增加加热区域选择线圈的匝数N_i，若匝数N_i未达到加热磁场场强的最大值的上限转至②，若加热区域选择线圈的线圈匝数N_i达到加热磁场场强的最大值的上限，则增加加热区域选择线圈的数量n，并改变加热区域选择线圈的半径r，然后转至②；

⑤确定加热区域选择线圈数量n、半径r及匝数N_i，计算过程完成。

所述加热线圈为类赫姆霍兹线圈，加热线圈的半径大于等于加热区域选择线圈的分布半径，两加热线圈之间的距离为加热区域选择线圈的直径。

所述加热线圈在加热区域选择磁场的作用下，在近似零直流磁场的加热区域内产生的热功率的计算模型

其中，μ₀为真空磁导率，M_S为磁性纳米粒子的饱和磁化强度，H_c为磁性纳米粒子的矫顽力，ρ为磁性纳米粒子的密度，f为施加在加热线圈上的交变磁场频率，χ"(f)是复磁化率的虚部；x是磁场强度计算点在X轴的坐标值，N_h为加热线圈的匝数，I为加热线圈的电流幅值，r_h为加热线圈的半径，z是Z轴的坐标值，θ为计算点与X轴向分量的夹角。

所述加热线圈需要产生的激励磁场的频率f范围为1kHz-500kHz，激励磁场的幅值范围为10A/m—100000A/m。

本发明的有益效果体现在：

(1)实现了区域选择性地加热机体组织，即通过磁纳米粒子流体分布和区域选择直流磁场设置来控制加热区域的范围；

(2)采用n(n≥2)个加热区域选择线圈，可根据所需加热的区域空间范围及疏密程度计算确定加热区域选择线圈的数量，通过对输入加热区域选择线圈的直流电流的选择来更加精确的控制加热区域，使之与病变组织的实际形状相匹配，实现了更好的治疗效果；

(3)本发明采用所设计的算法计算后可以实现拟加热的病变组织区域的直流磁场强度为零或近似为零，而正常组织的直流磁场强度不为零，从而实现对病变组织加热，而正常组织基本不发热，即使产生热量的磁纳米粒子流体可能扩散到正常组织，由于有垂直于加热磁场的直流磁场的存在，也不会对正常组织造成伤害；

(4)利用与加热磁场垂直的直流磁场，显著地降低机体组织的特定吸收率的特点，对病变组织周围的正常组织更加有效地保护。

总而言之，本发明利用直流磁场对磁纳米粒子磁滞损耗及磁弛豫损耗产热的影响，计算出病变组织在整个结构中的相对位置，通过计算出加热选择线圈组每一线圈的直流(静)磁场强度与方向，同时根据机体组织的特定热吸收率计算出相应的加热线圈的磁场强度和频率，最终实现可选加热区域的热疗效果。试验结果表明，利用本发明的结构可以更加有效地加热病变组织，最大限度的保护周围正常组织。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明提出的可选加热区域磁纳米粒子热疗结构示意图(以8个加热区域选择线圈，2个加热线圈为例)。

图3(a)为加热区域选择线圈在加热区域中产生的选择静场强的三维视图；(b)为加热区域选择线圈在加热区域中产生的选择静场强附视图；(c)为加热区域选择线圈在加热区域中产生的选择静场强主视图；(d)为加热区域选择线圈在加热区域中产生的选择静场强右视图。

图4为本发明施加的用于加热的交变磁场。

图5为肿瘤及正常机体组织温度随施加交变磁场的时间变化情况示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了更好地说明本发明，先对磁纳米热疗的基本原理进行简要介绍。根据现有文献可知，用于热疗的磁性纳米粒子通常为5nm至100nm，即从超顺磁性纳米粒子到多磁畴磁性纳米粒子。在外部磁场的作用下磁性纳米粒子由于磁滞损耗而产生热量。在外部交变磁场作用下，每个周期产生的热功率P_C为

P_C＝μ₀f∮H_edM(1)

其中，μ₀为真空磁导率，f为施加在加热线圈上的交变磁场频率，H_e为外部施加的交变磁场强度，M为磁化强度。

当外部施加的用于加热的交变磁场强度幅值小于等于各项异性场幅值的一半时，磁性纳米粒子的磁滞损耗为零；反之，当外部施加的交变磁场幅值大于各向异性场幅值的一半时，磁性纳米粒子产生的特定功率耗散SLP为

$\mathrm{SLP}=\frac{4{\mathrm{\μ}}_0{M}_s{H}_{c}f}{\mathrm{\ρ}}(1-{\left(\frac{H_c}{H_e}\right)}^5)---\left(2\right)$

当磁性纳米粒子在外磁场的作用下达到饱和磁化强度时，可以得到最大的磁滞损耗，从而释放出最多的能量，此时的特定耗散功率SLP为

$\mathrm{SLP}=\frac{4{\mathrm{\μ}}_0{M}_s{H}_{c}f}{\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

其中，M_S为磁性纳米粒子的饱和磁化强度，H_c为磁性纳米粒子的矫顽力，ρ为密度。

对于特定磁性纳米粒子流体，其热量的产生主要与外加磁场的场强和频率相关。同时，热量的产生还与平均粒径、粒径分布、材料结构及磁特性，甚至与表层包覆材料、周围环境特性及粒子间相互作用等均有关系。

对于粒径小于某一定值(典型为10nm)的磁单畴粒子，这种纳米粒子呈现出超顺磁特性，同时，由于各项异性的存在，则会产生尼尔(Neel)和布朗(Brown)弛豫。因此，纳米粒子的功率耗散因弛豫耗散而增强，由于磁弛豫的存在，使得这种单磁畴纳米粒子的产热增强，由磁弛豫所产生的耗散功率可以表示为

$\mathrm{SLP}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\χ}}^{\′\′}\left(f\right)f{H}_e^2}{\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

其中，χ"(f)是复磁化率的虚部，其值可以表示为

${\mathrm{\χ}}^{\′\′}\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\χ}}_0\mathrm{f\τ}}{1+{\left(\mathrm{f\τ}\right)}^2}---\left(5\right)$

τ为弛豫时间；χ₀为初始磁化率，其值等于

${\mathrm{\χ}}_0={\mathrm{\μ}}_0{M}_s^{2}V/\left(\mathrm{akT}\right)---\left(6\right)$

V为磁纳米粒子体分数，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度；a为系数，取值为1至3。

而当粒径大于30nm时，随着粒径的增加，矫顽力H_c和剩磁都会减少，从而导致磁滞损耗功率减少。对于磁性纳米粒子材料特性对发热性能的影响，这里不予讨论。在本发明中主要考虑外部施加磁场场强和频率对磁性纳米粒子由于磁滞耗散和磁弛豫而产生的热功率。

简单来说，对磁纳米粒子施加交变磁场可以将能量通过交变磁场传递给磁纳米粒子并以各种功率耗散方式(弛豫耗散远大于磁滞损耗)转换为热量，从而实现对含有磁纳米粒子的机体组织进行加热。当在交变磁场所作用的部分区域上叠加一定强度的静磁场、并使得叠加的静磁场方向与交变磁场方向垂直时，由于存在超顺磁特性和各向异性而使得叠加的静磁场能够改变磁纳米粒子在交变磁场作用下的弛豫特性，尤其是在静磁场强度远大于交变磁场的区域，交变磁场将无法使磁纳米粒子产生弛豫耗散，进而使得在磁纳米粒子的各种功率耗散中弛豫耗散的影响占比急剧减少。即在交变磁场上叠加的垂直静磁场使得磁纳米粒子释放热量的方式以弛豫耗散为主转变为以磁滞损耗为主，极大地降低了强静磁场作用范围内磁纳米粒子的热量转换效率，从而显著地降低了静磁场作用范围内磁纳米粒子释放到机体组织上的热量。

通过控制产生静磁场的直流电流的大小和方向，可以控制静磁场的作用范围和大小。通过在交变磁场作用区域上叠加一个或多个特定作用范围和强度的垂直静磁场的方式，可以使得某个或某些区域范围内的静磁场强度很小(例如肿瘤组织所在区域)，而其他区域的静磁场强度很大(例如正常机体组织所在区域)，从而将交变磁场对磁纳米粒子的能量传送控制在指定区域内，当指定区域与需要进行加热的目标对象相匹配时，即可实现磁纳米粒子“靶向热疗”的效果。

或者说，通过在用于加热磁纳米粒子的交变磁场的垂直方向施加静磁场使得磁纳米粒子的产热减少，从而使相应机体的热吸收率在肿瘤部位静磁场强度作用下降很小，所以对磁纳米粒子产热及热吸收率基本没影响；而正常机体组织上由于存在很大的垂直静磁场，热吸收率很低甚至没有，从而实现保护正常机体组织的目的。

一种控制磁纳米粒子加热区域的装置，包括至少一个加热线圈组和至少两个加热区域选择线圈，加热区域选择线圈和加热线圈与提供励磁电流的驱动电路和控制电路相连接；加热线圈组在一个指定方向上产生交变的加热磁场；加热线圈组与加热区域选择线圈相关联，加热区域选择线圈至少部分地围绕加热线圈所产生的加热磁场的边缘分布，加热区域选择线圈产生与加热磁场的方向相垂直的加热区域选择静磁场；每组加热区域选择线圈所产生的加热区域选择静磁场的作用区域至少部分地与加热磁场的作用区域相重合以对加热磁场的作用区域进行控制，使得重合范围内的磁纳米粒子的释放热量的方式以弛豫耗散为主转变为以磁滞损耗为主。由此，当多个加热区域选择线圈所产生的多个加热区域选择静磁场与加热磁场相叠加时，加热磁场的作用区域被控制为与目标对象加热区域相一致，从而实现对磁纳米粒子加热区域的按需控制。

一种控制磁纳米粒子加热区域的方法主要包括：确定加热区域选择线圈的分布半径，确定加热区域选择线圈的数量，确定每个加热区域选择线圈的半径、匝数，确定加热线圈的半径、匝数及交变电流。本发明提出的控制磁纳米粒子加热区域的方法的流程如图1所示，从而最终形成能够确定所需加热区域选择功能的磁纳米粒子加热线圈和加热区域选择线圈的结构。

为简单描述起见，一种控制磁纳米粒子加热区域的装置具体实例如图2所示，包含2个加热线圈、8个加热区域选择线圈、为加热区域选择线圈和加热线圈提供励磁电流的驱动电路和控制电路(图中未示出)。实际实施中可以根据需要确定加热区域选择线圈的数量n，n≥2。2个加热线圈位于与三维笛卡尔坐标系中YOZ平面平行的平面上，圆心位于X坐标轴上，构成一个加热线圈组。8个加热区域选择线圈围绕着X坐标轴成圆形均匀分布，所有加热区域选择线圈的圆心均匀分布在YOZ平面的一圆形上，且每一个加热区域选择线圈所在平面均与X坐标轴平行。2个加热线圈与8个加热区域选择线圈大致形成圆柱体形状。在这个大致呈圆柱体的装置上，2个加热线圈同轴间隔设置，位于该圆柱体的端面上，8个加热区域选择线圈设置在2个加热线圈之间，每个加热区域选择线圈所在的平面与加热线圈的中心轴线平行、与加热线圈所在平面垂直。

实际上，根据所需加热的目标对象的情况要求可以采用多个加热线圈组、每个加热线圈组对应设置一组或多组加热区域选择线圈的方式来构成可选加热区域磁纳米粒子热疗结构，当所需加热的目标对象形状特殊，例如长条状肿瘤时，这种多组加热线圈的方式尤为有利。为上述加热线圈组和加热区域选择线圈分别提供励磁电流的驱动电路和控制电路可以采用各种已知的励磁驱动技术方案来进行设计。

一种控制磁纳米粒子加热区域的方法，其可控制磁纳米粒子的加热区域，具体包括：

步骤1，根据加热对象确定加热区域选择线圈的分布半径。

对于图2的具体结构示意图，各个加热区域选择线圈所在平面平行于X轴，所有加热区域选择线圈的圆心均匀分布于YOZ平面上的一圆形，此圆的半径即为加热区域选择线圈的分布半径。在热疗过程中，可将目标加热对象划分为一个或多个加热对象，每个加热对象视为一个对加热区域进行控制的单元，加热对象需置于上述加热区域选择线圈和加热线圈所构成的圆柱体形区域内，因此加热区域选择线圈的分布半径必须大于加热对象的外形轮廓，即加热区域选择线圈的分布半径必须大于所需加热的机体的横截面，或者说加热区域选择线圈的分布半径是由可加热的机体的最大横截面所确定。在设计开始首先根据热疗结构所针对的需加热的最大机体的横截面积，计算出能覆盖此横截面的最小覆盖圆，确定出该最小覆盖圆的半径；然后使加热区域选择线圈的分布半径大于该最小覆盖圆的半径，从而确定出加热区域选择线圈的分布半径。当所需加热的对象为人体时，加热区域选择线圈的分布半径一般可以确定为0.10m至0.45m，该分布半径的尺寸范围可以满足人体的肢体至内脏器官的治疗需要。

步骤2，根据加热对象所需的加热区域疏密确定加热区域选择线圈数量。

加热区域选择线圈的数量可根据所需加热的区域的空间范围及疏密程度来进行选择，其实质为确定加热区域选择线圈数量n的数值。根据垂直于交变磁场的静磁场对磁纳米粒子磁滞损耗产热的影响，首先确定加热区域选择线圈分布范围内的区域网格划分，每个区域网格即为热疗的最大区域范围。然后通过对每一网格边界的静磁场强度计算，检查是否每一网格边界的静磁场强度均满足静磁场阈值，从而确定出现有加热区域选择线圈数量是否满足加热区域选择的需要，如不满足，则增加加热区域选择线圈，直至每一边界静磁场场强均满足为止。

步骤3，根据加热区域选择线圈的分布半径和数量确定每个加热区域选择线圈的半径。

由步骤1和步骤2所确定的区域选择线圈的分布半径及其数量计算出每一加热区域选择线圈的半径，使得每一加热区域选择线圈尽可能覆盖最大的区域空间。在实际的设计过程中，加热区域选择线圈的半径及数量均可能由于后续的计算而做调整。

步骤4，根据所需静磁场强度确定加热区域选择线圈的匝数。

从磁场强度的计算公式可知，在所需加热的区域空间范围内，如图2所示，其磁场强度是由圆心分布在YOZ平面上的加热区域选择线圈在所包含空间范围内任一点产生的直流磁场场强矢量和确定。则对于在此范围内的任一点p(x,y,z)，第i个加热区域选择线圈产生的磁场强度矢量为

$\stackrel{\→}{H_{\mathrm{pi}}}={\∫}_L{N}_i(I_{i}d\stackrel{\→}{l_i}\×\stackrel{\→}{u_{\mathrm{pi}}})/\left(4\mathrm{\π}{\left|\stackrel{\→}{u_{\mathrm{pi}}}\right|}^2\right)---\left(7\right)$

其中，I_i为第i个加热区域选择线圈中微小线元长度的导体中流过的电流，i≤4ⁿ(n≥1)；μ_pi为点p至第i个加热区域选择线圈的径向单位矢量，为其径向距离；L为线圈中源电流的积分路径，N_i为第i个线圈的匝数。为了简化设计和计算方便可以取各个线圈的匝数一样。由此可以得到点p对应于圆心在YOZ平面上的各个加热区域选择线圈所产生磁场强度的矢量和为

$\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{H_{\mathrm{pi}}}=\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_L{N}_i(I_{i}d\stackrel{\→}{l_i}\×\stackrel{\→}{u_{\mathrm{pi}}})/\left(4\mathrm{\π}{\left|\stackrel{\→}{u_{\mathrm{pi}}}\right|}^2\right)(n\≥1)---\left(8\right)$

则加热区域选择线圈对加热区域进行选择，由此可以得出加热区域选择线圈区域选择的计算模型为

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{piy}}=f(I_i,N_i)=0\\ \underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{piz}}=g(I_i,N_i)=0\\ \underset{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{pi}}\≤\mathrm{\ζ},p\∈\mathrm{\Ω}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，H_piy为各个加热区域选择线圈在p点处y轴上的分量，H_piz为各个加热区域选择线圈在p点处_z轴上的分量，f(I_i)为对应于p点处y轴方向上的磁场场强分量关于各加热区域选择线圈内电流的函数，g(I_i)为对应于p点处z轴上的磁场场强分量关于各加热区域选择线圈的电流的函数，ζ为任意小的值，Ω为病变组织相对于热疗结构中的相对区域范围位置。为设计方便，可设置各个加热区域选择线圈的匝数相等(当然也可以不等，只是计算过程会复杂一些)，若上述模型不能在全部Ω区域范围内收敛，则增加加热区域选择线圈匝数，若达到加热区域选择线圈匝数的上限，仍不能收敛，则说明所设置的加热区域选择线圈数量过少，需增加相应的加热区域选择线圈数量。这一过程计算算法如下：

①初始化加热区域选择线圈的数量n、电流I_i、匝数N_i、加热线圈半径r(i初始值为1)，根据加热机体横截面确定加热区域选择线圈的分布半径；

②将整个加热区域选择线圈分布区域分割为若干个病变组织区域，并编号为Ω_j(j的取值取决于分割的精细程度，初始值为1)，然后对每一个分割的区域进行离散化；

③对第j个病变组织区域Ω_j按上述模型公式(9)进行计算；

④若上述模型公式(9)在第Ω_j个区域范围内收敛，则i＝i+1，若所有区域对上述模型公式(9)均收敛则转至⑤；否则j＝j+1转至③对下一个病变组织区域进行计算；若上述模型公式(9)在Ω_j内不收敛，则增加加热区域选择线圈的匝数N_i，若匝数N_i未达到上限(上限怎么区)转至②，若N_i线圈匝数达到上限，则增加加热区域选择线圈的数量n，并改变加热区域选择线圈的半径r，然后转至②；

⑤确定加热区域选择线圈数量n、半径r及匝数N_i，计算过程完成。

通过上述算法，可以实现加热区域选择线圈的数量、半径及匝数的确定。

步骤5，根据加热区域选择线圈分布半径确定加热线圈半径：

为获得较为均匀的加热磁场，加热线圈采用类赫姆霍兹(Helmholtz)线圈的形式，且加热线圈的半径大于等于加热区域选择线圈的分布半径，两加热线圈间的距离为加热区域选择线圈线圈的直径，并可根据需要改变。

步骤6，根据磁纳米粒子粒径及特性确定加热线圈匝数。

研究表明在交变磁场中，由于磁滞损耗和磁弛豫损耗的存在，磁性纳米粒子会产生的热量，并以此加热病变组织，诱导病变组织凋亡，从而获得较好的治疗效果。从公式(3)和(4)可知，磁纳米粒子热疗中在交变磁场的感应下产生的热功率与加热磁场场强、交变磁场频率f成正比。因此，从理论上，加热磁场场强越大、频率越高，则产生的热功率越高。但由于人体组织由大于微米级的细胞构成，若选取的加热交变磁场频率f过高，会致使正常组织因涡流效应而发热，从而使正常组织受到损伤。下面给出加热线圈产生的磁场，假设加热线圈的半径为r_h，匝数为N_h，电流幅值为I，其中一个加热线圈位于x＝0的YOZ平面上，另一加热线圈位于x＝r_h平面上。于是在x轴上任一点的磁场为

$H_A=\left(\frac{N_{h}I}{2r_h}\right)[{(1+\frac{x^2}{r_h^2})}^{-\frac{3}{2}}+{(1+\frac{{(r_h-x)}^2}{r_h^2})}^{-\frac{3}{2}}]---\left(10\right)$

且由对称性可知轴线上的径向分量为零。当H以x为变量作级数展开时，上式变为

$H_A=H_0(1+\frac{15}{8r_h^4}{x}^4-\frac{105}{48r_h^6}{x}^6+\·\·\·\·\·\·)---\left(11\right)$

其中，为线圈中心处的磁场强度。由此可知变化微小时，在X轴线方向为均匀磁场。在X轴线以外，根据毕奥·萨瓦尔定律可得

${\mathrm{dH}}_{\mathrm{NA}}=\frac{N_h\mathrm{Idl}\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}(x^2+{(r_h-z)}^2),}---\left(12\right)$

则相应的磁场强度为

$H_{\mathrm{NA}}=\mathrm{\Σ}\frac{N_{h}I\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}(x^2+{(r_h-z)}^2),}---\left(13\right)$

其中，x是磁场强度计算点在X轴的坐标值，z是Z轴的坐标值，θ为计算点与X轴向分量的夹角。

因此，可以建立加热线圈在加热区域选择磁场的作用下，在近似零直流磁场的加热区域内产生的热功率的计算模型

上式中的H_NA是通过公式(13)计算求得，且求解的范围由公式(9)中给出的Ω确定。

通过上述计算模型可以从需要进行加热的目标对象的形状来设计加热区域选择线圈所需要产生的静磁场的作用范围和强度，进而计算得到各个加热区域选择线圈的静磁场电流强度，从而实现磁纳米粒子加热区域的准确控制。

验证实例：

为了验证上述控制磁纳米粒子加热区域的热疗有效性，可以设计实验对所设计的装置进行了验证。由上面给出的加热区域控制的基本原理可知，加热区域选择的关键是根据加热区域选择线圈的数量、分布及匝数计算出每一线圈产生的直流(静)磁场强度，进而使得相应加热区域的直流(静)磁场强度为零或低于相应的阈值，而加热范围外的直流(静)磁场强度较高。当加热线圈在施加交变磁场时，在病变组织区域内由于有磁纳米粒子的存在，并且与加热交变磁场垂直的直流(静)磁场强度为零或很小，而不影响加热的效果；对于周围的正常组织，即使有磁纳米粒子扩散至此区域，但由于有垂直于加热交变磁场的直流(静)磁场的存在，正常组织也基本不会被加热，从而实现了对正常组织的保护。

在设计的示例性实例中，根据热疗对象首先确定加热区域选择线圈分布半径为0.40m，可满足一般被加热对象的需要。由加热区域选择线圈的分布半径和公式(9)及相应的算法，计算出加热区域选择线圈的数量为8、每个加热区域选择线圈的半径为0.13m及匝数分别为500。为保证加热的均匀性，加热线圈的半径要大于等于加热区域选择线圈的分布半径，本实例中为0.42m，加热线圈的匝数为200。在进行试验时，采用肝脏作为加热对象，假设肿瘤为中心坐标位于热疗结构的相对坐标为(0,-0.115,-0.059)的半径为0.05m的球体内，在肿瘤外部包覆相同中心坐标，半径为0.1m的正常的肝脏组织球体。将粒径分布为14±5nm的磁性纳米粒子注射入相应的肿瘤区域，在肿瘤区域的分布浓度为30g/m³。

图3(a)-3(d)所示分别为加热区域选择线圈的静磁场场强分布的三维视图、俯视图、主视图、右视图。每一线圈所施加的电流根据实施方式中步骤相应算法计算而得，不同的是这里只需要计算一个或若干个Ω_j区域。本例中计算得到相应直流电流从19.8A至60.1A不等。图3(a)为加热区域选择线圈产生的静磁场的三维切面图，为图示方便将三维切面的交汇点置于肿瘤重心坐标(0,-0.115,-0.059)。因此，从切面图中可以看出坐标(0,-0.115,-0.059)为中心的0.05cm区域范围内的磁场强度要远小于周围区域，也就是说交变的加热磁场在中心区域范围内所产生的热量远多于周围区域，加热磁场所作用的加热区域范围与肿瘤的形状相匹配，从而实现针对肿瘤目标的靶向热疗。图3(b)是仅显示YOZ面的主视图，由图可以清楚的看到肿瘤区域在YOZ平面上的磁场强度的分布及其相对位置。图3(c)和图3(d)为相应的俯视图和右视图，同样可以看出在肿瘤中心处的静磁场强度最小，且在0.05m的范围内磁场强度均远小于周围正常组织内的磁场强度。

图4为肿瘤和正常机体组织区域施加的用于加热的交变磁场，频率与场强同样通过求解计算模型公式(14)计算而得，分别为100kHz和5A。从图4中可以看出在肿瘤区域的交变磁场强度是均匀分布，因此可以实现对肿瘤组织的均匀加热。

图5为肿瘤及正常机体组织温度随施加交变磁场的时间变化情况示意图。随着加热时间的变化，从图5可以看出肿瘤组织的核心处温度逐渐由37℃上升至44℃以上，正常组织与肿瘤的边缘则维持在40℃，而正常组织只有37℃从而实现了对肿瘤加热而保护正常组织的目的。实验证明，本发明所提供的这种能够对磁纳米加热区域进行选择控制的结构对热疗器械的研究具有重要的意义。

虽然上述举例是针对肿瘤部位进行特定区域加热来进行具体说明，但是本领域技术人员能够理解，本发明所提出的技术方案还以适用于任何需要控制磁纳米粒子加热区域的任何其他应用场景中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：包括至少一个加热线圈组、至少两个加热区域选择线圈和与加热线圈组、加热区域选择线圈相连接的驱动电路和控制电路；

所述加热线圈组产生用于使磁纳米粒子产生热量的交变的加热磁场；

所述加热区域选择线圈产生加热区域选择静磁场，通过所述驱动电路调整输入各个加热区域选择线圈的直流电流的大小来控制加热区域选择静磁场的区域和强度；

加热区域选择线圈与一个加热线圈组相关联，加热区域选择线圈至少部分地围绕加热线圈所产生的加热磁场的边缘分布，加热区域选择线圈所产生的静磁场的方向垂直于相关联的加热线圈组的加热磁场的方向，使得加热线圈组所产生的加热磁场上至少部分地叠加有与该加热磁场方向垂直的加热区域选择静磁场，且在加热磁场所覆盖的需要加热的区域上叠加的垂直方向上的加热区域选择静磁场强度小、在加热磁场所覆盖的不需要加热的区域上叠加的垂直方向上的加热区域选择静磁场强度大。

2.根据权利要求1所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述在加热磁场所覆盖的不需要加热的区域上所叠加的垂直方向上的加热区域选择静磁场的强度远大于加热磁场的强度，使得该区域内的磁纳米粒子在加热磁场作用下几乎不产生热量或仅产生较少的热量。

3.根据权利要求1或2所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述加热线圈组包括至少两个加热线圈，以使得在所需加热的区域上产生强度均匀分布的交变加热磁场；每组所述加热线圈的边缘均匀布置有与其相关联的多组加热区域选择线圈。

4.根据权利要求3中所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述控制磁纳米粒子加热区域的装置包括一组加热线圈和八个加热区域选择线圈，加热线圈组包括两个加热线圈；所述两个加热线圈以共轴线方式对称设置于两个平行平面内；所述八个加热区域选择线圈设置在两个加热线圈之间、绕两个加热线圈的边缘分布，且每个加热区域选择线圈设置于与两个加热线圈的轴线平行的八个平面上；所述八个加热区域选择线圈中两两关于加热线圈的轴线对称。

5.根据权利要求1中所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于，其控制磁纳米粒子加热区域的方法，步骤如下：

步骤1，根据加热对象确定加热区域选择线圈的分布半径；

步骤2，根据加热对象所需的加热区域疏密确定加热区域选择线圈的数量；

步骤3，根据加热区域选择线圈的分布半径及数量确定每个加热区域选择线圈的半径；

步骤4，根据所需静磁场强度确定加热区域选择线圈的匝数；

步骤5，根据加热区域选择线圈分布半径确定加热线圈的半径；

步骤6，根据磁纳米粒子粒径及特性确定加热线圈的匝数。

6.根据权利要求5所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述加热区域选择线圈的分布半径的实现方法是：根据热疗结构所针对的需加热的最大机体的横截面积，计算出能覆盖此横截面的最小覆盖圆，确定出该最小覆盖圆的半径；然后使加热区域选择线圈的分布半径大于该最小覆盖圆的半径，确定出加热区域选择线圈的分布半径。

7.根据权利要求5所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述加热区域选择线圈的数量、半径及匝数的确定方法是：

①i＝1，j＝1，初始化加热区域选择线圈的数量n、电流I_i、匝数N_i、加热线圈半径r，根据加热机体横截面确定加热区域选择线圈的分布半径；

②将整个加热区域选择线圈分布区域分割为若干个病变组织区域，并编号为Ω_j，j的最大值为病变组织区域的个数，并对每一个分割的病变组织区域Ω_j进行离散化；

③对第j个病变组织区域Ω_j按加热区域选择线圈区域选择的计算模型 $\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{piy}}=f(I_i,N_i)=0\\ \underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{piz}}=g(I_i,N_i)=0\\ \underset{{\mathrm{\Ω}}_j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4^n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{pi}}\≤\mathrm{\ζ},p\∈{\mathrm{\Ω}}_j\end{array}\right.$ 进行计算；其中，H_piy为各个加热区域选择线圈在p点处y轴上的分量，H_piz为各个加热区域选择线圈在p点处_z轴上的分量，f(I_i)为对应于p点处y轴方向上的磁场场强分量关于各加热区域选择线圈内电流的函数，g(I_i)为对应于p点处z轴上的磁场场强分量关于各加热区域选择线圈的电流的函数，ζ为任意小的值；

④若上述加热区域选择线圈区域选择的计算模型在第Ω_j个区域范围内收敛，则i＝i+1，若所有病变组织区域对上述加热区域选择线圈区域选择的计算模型均收敛则转至⑤；否则j＝j+1，转至③对下一个病变组织区域进行计算；若上述加热区域选择线圈区域选择的计算模型在病变组织区域Ω_j内不收敛，则增加加热区域选择线圈的匝数N_i，若匝数N_i未达到加热磁场场强的最大值的上限转至②，若加热区域选择线圈的线圈匝数N_i达到加热磁场场强的最大值的上限，则增加加热区域选择线圈的数量n，并改变加热区域选择线圈的半径r，然后转至②；

⑤确定加热区域选择线圈数量n、半径r及匝数N_i，计算过程完成。

8.根据权利要求5中所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述加热线圈为类赫姆霍兹线圈，加热线圈的半径大于等于加热区域选择线圈的分布半径，两加热线圈之间的距离为加热区域选择线圈的直径。

9.根据权利要求5至8中的任意一项所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述加热线圈在加热区域选择磁场的作用下，在近似零直流磁场的加热区域内产生的热功率的计算模型

其中，μ₀为真空磁导率，M_S为磁性纳米粒子的饱和磁化强度，H_c为磁性纳米粒子的矫顽力，ρ为磁性纳米粒子的密度，f为施加在加热线圈上的交变磁场频率，χ"(f)是复磁化率的虚部；x是磁场强度计算点在X轴的坐标值，N_h为加热线圈的匝数，I为加热线圈的电流幅值，r_h为加热线圈的半径，z是Z轴的坐标值，θ为计算点与X轴向分量的夹角。

10.根据权利要求1、2、4、5、8中任意一项所述的控制磁纳米粒子加热区域的装置，其特征在于：所述加热线圈需要产生的激励磁场的频率f范围为1kHz-500kHz，激励磁场的幅值范围为10A/m-100000A/m。