磁致熱療腫瘤用磁場(chǎng)發(fā)生裝置的研制

翟明明 文 峻 楊繼慶 李維娜

20世紀(jì)60年代國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，靜磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的增殖具有抑制作用，其在臨床應(yīng)用上的治療效果得到了初步肯定[1-5]。隨著磁場(chǎng)技術(shù)與納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的研究不斷發(fā)展，利用磁納米粒子在磁場(chǎng)中產(chǎn)熱的原理，令磁納米粒子聚集在腫瘤細(xì)胞，然后加以外部磁場(chǎng)，致使納米粒子產(chǎn)熱升溫致43 ℃左右，并將熱能聚集在腫瘤細(xì)胞，從而達(dá)到高溫殺死腫瘤細(xì)胞而同時(shí)不損傷正常細(xì)胞組織的效果。該方法即為針對(duì)腫瘤的新技術(shù)療法—磁感應(yīng)熱療[6-7]。

磁感應(yīng)熱療技術(shù)改變了大范圍和中低加溫?zé)岑煹膫鹘y(tǒng)腫瘤熱療方法，將熱能集中到腫瘤部位，避免損傷正常組織，具有特異性強(qiáng)、靶向高效、安全性好、升溫時(shí)間短、熱分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。鐵磁納米粒子為應(yīng)用最主要的磁熱介質(zhì)[8-9]。在針對(duì)腫瘤的磁感應(yīng)熱療的研究中，為使磁納米粒子在磁場(chǎng)中產(chǎn)熱，技術(shù)的關(guān)鍵在于研制一套產(chǎn)生磁場(chǎng)均勻、頻率可調(diào)的正弦磁場(chǎng)發(fā)生器，以滿足研究腫瘤磁熱療醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)需求的實(shí)驗(yàn)裝置。

1 工作原理

由三端穩(wěn)壓集成電路為NE555時(shí)基電路提供直流穩(wěn)壓電流，產(chǎn)生穩(wěn)定的100 kHz方波信號(hào)，經(jīng)RC電路轉(zhuǎn)換為正弦波，經(jīng)電流放大電路輸出至外接磁場(chǎng)線圈。

2 電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路分為3部分∶時(shí)基電路部分、方波轉(zhuǎn)換正弦波部分、放大電路部分。電路原理框圖如圖1所示。

2.1 方波時(shí)基電路

555脈沖波時(shí)基振蕩電路如圖2所示。當(dāng)電路剛接通電源時(shí)，由于定時(shí)電容C1尚來(lái)不及充電，故腳2處于0電平，導(dǎo)致輸出高電平。當(dāng)電源經(jīng)定時(shí)電阻RV1、RV2和R1向C1充電直到3腳輸出電壓Vc≥2／3 Vcc時(shí)，輸出電位由高變低，放電管導(dǎo)通，C1經(jīng)RV1、RV2放電到Vc≤1／3 Vcc時(shí)，輸出電位由低變高，電容再次充電，其過(guò)程周而復(fù)始，形成振蕩。其頻率f=1.438／(R1+ RV1+RV2) C1。

圖1 電路原理

圖2 時(shí)基電路

2.2 方波轉(zhuǎn)換為正弦波電路

基于UA741的轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。Rv3為反饋電阻，C2、C4、C5與R3、R4組成了選頻網(wǎng)絡(luò)。

圖3 轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 放大電路

當(dāng)外部線圈匝數(shù)等因素不變時(shí)，電流增大可有效增大磁場(chǎng)。電流放大電路如圖4所示。

圖4 放大電路圖

3 常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

由于理論與實(shí)際的差別，電路實(shí)踐起來(lái)效果并不理想，出現(xiàn)例如振蕩頻率不高以及波形失真等等，遂進(jìn)行參數(shù)修正以及電路改進(jìn)。

3.1 刺突狀失真

是在使用集成運(yùn)放UA741制作正弦波振蕩器時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的問(wèn)題。在輸出端與負(fù)電源4腳之間用一只適當(dāng)阻值的電阻連接，可以改善輸出端波形失真，隨著頻率的改變信號(hào)的幅度也基本穩(wěn)定，這是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的解決方法。

3.2 削波失真

波形如圖5所示。該失真明顯為頂部被削平，造成這種波形的原因多是反饋電阻值過(guò)大，電路增益過(guò)大，致使輸出電壓峰值過(guò)大，甚至?xí)S著反饋電阻值的增大，輸出波形變得極像方波。減小反饋網(wǎng)絡(luò)的總電阻可以解決這種失真，然而過(guò)分減小將致使電路不能起振。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，反饋電阻選用電位器，從而可以調(diào)整適當(dāng)阻值來(lái)解決削波失真和不能起振問(wèn)題。

圖5 削波失真

3.3 參數(shù)調(diào)整

根據(jù)f=1/(2πRC)，C1=0.01 uf，f=100 KHz，使用R1=510 Ω，便于再利用RV1、RV2調(diào)整波形頻率、脈沖寬度。當(dāng)R1過(guò)大或C1過(guò)大時(shí)，電流輸入將至頂點(diǎn)時(shí)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)會(huì)導(dǎo)致如圖6所示的欠飽和失真。

通過(guò)proteus軟件仿真模擬，電路經(jīng)示波器實(shí)際測(cè)量所示波形如圖7所示。

圖6 欠飽和失真

圖7 示波器實(shí)測(cè)波形

4 線圈設(shè)計(jì)

在不改變其他條件的情況下，線圈的形狀、尺寸和匝數(shù)直接影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和分布。匝數(shù)少和平均半徑大的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿透深度大，可應(yīng)用于研究大體積物體。匝數(shù)少和平均半徑小的線圈磁場(chǎng)定位較好，可應(yīng)用于研究待刺激部位較淺的物體[11-13]。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，該磁場(chǎng)發(fā)生器外接銅線圈后產(chǎn)生的磁場(chǎng)致使微量納米粒子發(fā)熱。

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