肿瘤热疗用交变磁场发生器的研制

　　肿瘤热疗中磁场加热肿瘤疗法由于具有伤害小、可外部控制等优点,目前已在临床上得到了较为广泛的应用.根据产热介质不同,可分为磁场直接加热、铁磁热籽产热和磁性微粒产热.磁场直接加热疗法是利用交变磁场对肿瘤部位进行加热,当温度高于40℃时,可以破坏癌细胞,但同时也损害到肿瘤周边的健康组织.铁磁热籽产热是在肿瘤部位植入铁磁合金材料并外加交变磁场,利用金属涡流效应吸收磁场能量产热,具有产热效率高、设备简单等优点,但产热分布不均匀,临床难度大.产热介质采用纳米磁性材料是20世纪末出现的新方法,以德国柏林夏里特医疗中心为代表.由Jordan领导的研究小组发明的抗癌新疗法[1]是将细微的铁氧体粒子用葡聚糖分子包裹,在水中溶解后注入肿瘤部位,癌细胞和磁性纳米粒子浓缩在一起,肿瘤部位完全被磁场封闭.这样在外部交变磁场中加热时,肿瘤部位的温度可以达到47℃,慢慢杀死癌细胞,而临近的健康组织丝毫不受影响.

　　由于纳米磁性材料参与肿瘤热疗的优越性,其治疗方法日益受到重视.实现磁流体热疗(MFH)的关键技术之一是研制能够在病灶区域产生合适交变磁场的设备.由于其应用的特殊性,目前国内尚无相关研究工作可供参考,这对类似的磁场热疗研究提出了挑战.为配合磁加热治疗肿瘤的实验,并为磁场热疗系统的最终实现奠定基础,有必要研究适用于磁热治疗的特殊磁场加热装置.

　　1　磁场加热装置设计

　　纳米磁性材料产热需要外加磁场具有较高的频率和强度才能达到较好的升温效果.参考文献[2],设定磁加热实验装置的目标为:工作频段范围为20~150 kHz,有效磁场空间的磁场强度为5~10 kA/m可变,磁场分布较均匀.据此,将设计工作分为输出磁场的磁路设计和激励磁场的电路设计2部分.

　　1.1　磁路设计

　　首先是磁路的材料选择,包括励磁线圈和磁介质.由于工作于高频,如选用普通圆截面漆包线绕制励磁线圈,则趋肤效应会导致导线横截面面积显著减少,使功耗增加,线圈发热.故应选用多股导线或薄铜带绕制线圈.铜带厚度与工作频率有关,当磁芯工作于100 kHz时,导体趋肤深度约0·2 mm,因此铜带厚度不宜大于0·4 mm.励磁线圈中加入导磁率高的磁介质将显著增强磁场强度[1].适用于100 kHz以上频率的磁介质有软磁铁氧体和玻镆合金等,本设计中选用了南京金宁公司的锰锌铁氧体材料.

　　其次是磁路的结构形式.空气的磁阻远大于铁氧体芯,因此应尽量减小磁路中空气隙的长度,据此磁路设计为环回形[2].气隙中有效高频磁场用于材料实验、动物实验等.所设计的磁路具体尺寸如下:铁氧体磁芯外型尺寸为138 mm×120 mm×30 mm,横截面为正方形,边长为30 mm,中间气隙宽度为30 mm.