磁致热疗肿瘤用磁场发生装置的研制

翟明明 文 峻 杨继庆 李维娜

20世纪60年代国内外学者发现，静磁场和交变磁场对肿瘤细胞的增殖具有抑制作用，其在临床应用上的治疗效果得到了初步肯定[1-5]。随着磁场技术与纳米技术在生物医学应用中的研究不断发展，利用磁纳米粒子在磁场中产热的原理，令磁纳米粒子聚集在肿瘤细胞，然后加以外部磁场，致使纳米粒子产热升温致43 ℃左右，并将热能聚集在肿瘤细胞，从而达到高温杀死肿瘤细胞而同时不损伤正常细胞组织的效果。该方法即为针对肿瘤的新技术疗法—磁感应热疗[6-7]。

磁感应热疗技术改变了大范围和中低加温热疗的传统肿瘤热疗方法，将热能集中到肿瘤部位，避免损伤正常组织，具有特异性强、靶向高效、安全性好、升温时间短、热分布均匀等优点。铁磁纳米粒子为应用最主要的磁热介质[8-9]。在针对肿瘤的磁感应热疗的研究中，为使磁纳米粒子在磁场中产热，技术的关键在于研制一套产生磁场均匀、频率可调的正弦磁场发生器，以满足研究肿瘤磁热疗医学实验需求的实验装置。

1 工作原理

由三端稳压集成电路为NE555时基电路提供直流稳压电流，产生稳定的100 kHz方波信号，经RC电路转换为正弦波，经电流放大电路输出至外接磁场线圈。

2 电路设计

整个电路分为3部分∶时基电路部分、方波转换正弦波部分、放大电路部分。电路原理框图如图1所示。

2.1 方波时基电路

555脉冲波时基振荡电路如图2所示。当电路刚接通电源时，由于定时电容C1尚来不及充电，故脚2处于0电平，导致输出高电平。当电源经定时电阻RV1、RV2和R1向C1充电直到3脚输出电压Vc≥2／3 Vcc时，输出电位由高变低，放电管导通，C1经RV1、RV2放电到Vc≤1／3 Vcc时，输出电位由低变高，电容再次充电，其过程周而复始，形成振荡。其频率f=1.438／(R1+ RV1+RV2) C1。

图1 电路原理

图2 时基电路

2.2 方波转换为正弦波电路

基于UA741的转换电路如图3所示。Rv3为反馈电阻，C2、C4、C5与R3、R4组成了选频网络。

图3 转换电路图

2.3 放大电路

当外部线圈匝数等因素不变时，电流增大可有效增大磁场。电流放大电路如图4所示。

图4 放大电路图

3 常见问题及解决方法

由于理论与实际的差别，电路实践起来效果并不理想，出现例如振荡频率不高以及波形失真等等，遂进行参数修正以及电路改进。

3.1 刺突状失真

是在使用集成运放UA741制作正弦波振荡器时实际产生的问题。在输出端与负电源4脚之间用一只适当阻值的电阻连接，可以改善输出端波形失真，随着频率的改变信号的幅度也基本稳定，这是一个简单有效的解决方法。

3.2 削波失真

波形如图5所示。该失真明显为顶部被削平，造成这种波形的原因多是反馈电阻值过大，电路增益过大，致使输出电压峰值过大，甚至会随着反馈电阻值的增大，输出波形变得极像方波。减小反馈网络的总电阻可以解决这种失真，然而过分减小将致使电路不能起振。因此根据实验需要，反馈电阻选用电位器，从而可以调整适当阻值来解决削波失真和不能起振问题。

图5 削波失真

3.3 参数调整

根据f=1/(2πRC)，C1=0.01 uf，f=100 KHz，使用R1=510 Ω，便于再利用RV1、RV2调整波形频率、脉冲宽度。当R1过大或C1过大时，电流输入将至顶点时晶体管进入饱和区会导致如图6所示的欠饱和失真。

通过proteus软件仿真模拟，电路经示波器实际测量所示波形如图7所示。

图6 欠饱和失真

图7 示波器实测波形

4 线圈设计

在不改变其他条件的情况下，线圈的形状、尺寸和匝数直接影响磁场强度的大小和分布。匝数少和平均半径大的线圈所产生的磁场穿透深度大，可应用于研究大体积物体。匝数少和平均半径小的线圈磁场定位较好，可应用于研究待刺激部位较浅的物体[11-13]。在预实验中，该磁场发生器外接铜线圈后产生的磁场致使微量纳米粒子发热。

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