铁磁体植入式脑肿瘤热疗仪的研制

    1　引言

    颅内恶性肿瘤是一种常见疾病,经手术、放疗、化疗等方法治疗后,短期内局部易复发,患者生存期短。目前间质内热疗技术已初步应用于临床,并逐步成熟。在各种热疗方法中,铁磁体植入式热疗法是缺点最少、较有前途的一种热疗方法,该方法的优点是:

    a·当铁磁体通过手术或者立体定向技术植入后,在任意时间用颅外线圈能非侵入性地加热;

    b·通过居里点来控制温度的精确性、安全性,不需侵入性测温计测温;

    c·肿瘤复发可反复加热治疗;

    d·患者花费少、痛苦小,能有效地延长患者生命。

    但是,关于铁磁体植入式脑肿瘤热疗仪,目前市场上还没有定型产品,因此从事脑肿瘤热疗仪的研究,将为脑恶性肿瘤的治疗开辟一条新的途径。

    铁磁体植入式脑肿瘤热疗仪主要由高频电流振荡器、电感线圈、铁磁体及铁磁体颅骨固定装置等部分组成(图1)。其基本原理是在肿瘤内部植入铁磁体,颅外高频电流振荡器的电感线圈产生高频交变磁场,通过电磁感应使颅内的铁磁体产生热能,当铁磁体升温至“居里点”时,铁磁体转变为非铁磁体使热量减小,反之继续加热,使热疗温度维持在“居里点”上。本文研制了一种铁磁体植入式脑肿瘤热疗仪,通过样机实验,证实了其符合热疗仪的要求。

    2　高频电流振荡器的工作原理

    铁磁体植入式脑肿瘤热疗仪的关键组成部分是高频电流振荡器,高频电流振荡器主要由高频振荡电路、检测电路、同步整形电路、脉宽调制电路(PWM)、保护电路及电源电路等组成,图2为其工作原理框图。

    2.1　高频振荡电路

    图2主电路中,输入交流市电经整流滤波后得到直流电压U_d,Q为功率开关管,D1为阻尼二极管,C1为谐振电容,L1为电感线圈。L1、C1、D1和Q构成高频振荡电路。当Q周期性快速通断时,L1中会产生高频锯齿波振荡电流。

    图3是高频电流振荡器输出电路的工作波形图,其中,U_b为开关管Q的门极驱动控制电压,i_Q为开关管Q的集电极电流,i_D为阻尼二极管D1导通电流,i_R为谐振电流,i_L是电感L1上的高频振荡电流,u_C为谐振电容C1上的电压。从图中看到,t₀至t₁时刻,Q导通,L中的电流i_L随时间的增大而增大,即i_L∝U_c/L*T_s(T_s为Q的导通时间)。t₁时刻,Q受控关断,L开始向C充电;t₂时刻,充电停止,i_R变为0,u_C达到最大值;t₂之后,C通过L放电,i_R反向。到t₃时刻,放电结束,L中的反向电流达到最大值,t₃之后,虽然Q的门极已施加触发信号,但由于i_L反向,故Q不导通,此时,阻尼二极管续流导通;t₄时刻,L中的储能释放完毕,i_L减小至0,i_D变为0,Q开始导通,i_L正向增加,到t₅完成一个周期的振荡过程。重复以上过程,就可以在L1中产生高频的锯齿波振荡电流i_L,其频率等于Q的开关频率。通过以上分析,Q的导通时间越长,L1储存的能量越多,i_L的振荡幅度越大,因此,调节Q的导通时间,可以调节电路的输出功率。