一种聚焦磁场调控装置的制作方法

本发明涉及一种磁场调控装置。

背景技术：

股骨头坏死作为一种发病率高、危害大的一种疾病，传统的治疗方法包括减少负重、药物、髓心钻孔减压以及人工全髋关节置换等手段，尤其是晚期股骨头坏死病人，只能通过人工置换治疗，目前常用的保髋手术治疗方法，对延缓股骨头坏死虽各有优势，但难免发生软骨下骨塌陷、骨关节炎等，为恢复坏死股骨头形状，研究表明肌腱干细胞具有极大的成骨、软骨分化潜能，因此肌腱干细胞作为骨髓间充质干细胞的替代种子细胞，其应用于股骨头坏死的组织修复、新骨形成中将有巨大作用。另一方面，药物治疗股骨头坏死存在局部血药浓度低、全身血药浓度高的问题。磁性纳米颗粒作为一种载体，既可以作为干细胞载体，也可以作为运载药物载体，而且作为靶向载体，纳米颗粒载体具有选择和高效运载药物的可行性已经被大量的研究所证实。为实现定向靶向给药以及靶向治疗，需要实现磁性纳米颗粒的定位聚焦。目前针对磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，如中国201110144541.8的一种基于负荷磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，在产生交变磁场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，但该技术方案的永磁体产生的磁场是恒定的，永磁体一旦安装到位后只有相对的永磁体磁极中心出的磁性纳米颗粒粒子热效应可以控制，若需要热疗的机体组织不在磁极中心，则无法根据肿瘤区域位置和形状来灵活调整选择加热区域，难以在实践中应用，另一个原因是该系统是专门针对热疗的，因此目前专门针对磁性纳米颗粒定位聚焦靶向治疗的装置还没见报道。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺点，实现靶向药物高效运载，本发明提出一种聚焦磁场调控装置。本发明借助磁性纳米颗粒随外加磁场具有快速定向运动的特点，可以实现在股骨头目标治疗区域磁纳米颗粒的聚集，提高生物体局部血药浓度。

本发明聚焦磁场调控装置包括两对励磁线圈、两对磁场聚焦磁极、两个磁场聚焦线圈和一台控制器。

控制器分别与两对励磁线圈和两个磁场聚集线圈相连。

所述的励磁线圈产生励磁磁势，使目标治疗区域整体达到足够大的磁场强度，为磁纳米颗粒移动提供磁场力。所述的磁场聚焦线圈产生增强磁动势，改变励磁磁势的磁场分布，使目标治疗区域磁场强度高于周围区域，实现携带药物的磁纳米颗粒向目标治疗区域聚集。所述的磁场聚焦磁极引导磁通走向，控制磁场聚焦区域大小，改变磁通回路的磁阻分布，使磁纳米颗粒分布区域有更大的磁压降，同时减小磁通回路整体磁阻，降低装置耗能。

两对所述的励磁线圈分别绕制在两个磁场聚焦磁极上，每一对的两个励磁线圈同轴布置，且两对励磁线圈的中心轴线相互垂直。两对励磁线圈之间的间距大于等于磁纳米颗粒分布区域的直径。

一对电流方向相同且平行放置的线圈，其在轴线上产生的磁场只能沿着轴线方向，如果想得到完整平面对磁纳米颗粒的控制，则至少需要在其垂直方向再添加一对线圈，两个方向的磁场作为基向量，就可以使磁纳米颗粒在磁纳米颗粒分布区域任意位置聚集。

两个所述的磁场聚焦线圈的轴线相互垂直，两个磁场聚焦线圈中心轴线分别与每一对励磁线圈的中心轴线重合。磁场聚焦线圈的直径大于等于磁纳米颗粒分布区域的直径。通入磁场聚焦线圈的电流与平行于轴线放置的励磁线圈的电流方向相同，使得磁场聚焦线圈产生的磁场方向与励磁线圈磁场产生的方向相同，可以增强目标治疗区域的磁场。

每对磁场聚焦磁极同轴布置，每对的两个磁场聚焦磁极之间布置有一个磁场聚焦线圈。磁场聚焦磁极为铁磁性物质，铁磁性物质磁阻小，聚焦磁极减小磁通回路整体磁阻，可以降低装置耗能。聚焦磁极在磁通回路中磁压降小，使磁纳米颗粒分布区域有更大的磁压降。

所述的控制器产生特定幅值和时序的电流，通过控制两对励磁线圈和两个磁场聚焦线圈中的电流，使得磁场在特定位置聚焦。

所述励磁线圈和磁场聚焦线圈要保证在目标治疗区域处产生的磁场强度至少在mt量级。

所述的励磁线圈和磁场聚焦线圈通入的电流频率范围为0-500khz，产生的磁动势幅值范围为5a/m-5000a/m。

所述的聚集磁场调控装置可将携带药物的磁纳米颗粒聚集于目标治疗区域。

本发明的工作原理和工作过程如下：

控制器向两对励磁线圈和两个磁场聚焦线圈分别通入特定幅值和时序的电流。两对励磁线圈在控制器控制交替下工作，励磁线圈通入电流产生励磁磁势，磁场聚焦磁极在励磁磁势的作用下在目标治疗区域产生磁场。两个磁场聚焦线圈通过控制器控制交替工作，使磁纳米颗粒分布区域磁场聚集。

根据磁纳米颗粒的体积、密度和需要聚集的目标区域设定通入励磁线圈和磁场聚焦线圈的电流和电流的时序，使磁纳米颗粒所受电磁力大于磁纳米颗粒所受重力与粘滞力的合力。

根据安培环路定律，所述的励磁线圈通入电流产生的磁动势满足：

公式中，环路积分为线圈电流产生的磁场强度的环路积分。i为励磁线圈通入的电流，n为线圈匝数，dl为磁场强度积分路径，h0为线圈电流产生的磁场强度。

将磁纳米颗粒假设为一个半径为r的小球，根据斯托克斯定律，在粘滞系数为η的流体中运动时，若磁纳米颗粒运动速度为v，磁纳米颗粒所受的粘滞阻力f0为：

f0＝6πηrv

公式中π需精确到小数点后4位，取值为3.1416。

假设磁纳米颗粒的密度为ρ，当磁纳米颗粒在密度为ρ'的液体中运动时，考虑重力的影响，磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力的合力为：

公式中g为所处环境中的重力加速度，f1为磁纳米颗粒受到粘滞力与重力的合力，r为磁纳米颗粒的半径，v为磁纳米颗粒的运动速度。

假设磁纳米颗粒磁化强度为m，磁导率为μ，磁纳米颗粒所处环境的磁场强度为h0，则磁纳米颗粒所处环境磁感应强度为：

b＝μ(m+h0)

根据安培力定律，磁纳米颗粒的所受电磁力为：

f2＝bil

公式中i磁纳米颗粒等效分子电流大小，l为磁纳米颗粒的等效长度，f2为磁纳米颗粒所受的电磁力。

当磁纳米颗粒所受电磁力f2大于磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力f1时，磁纳米颗粒将按运动速度为v进行运动。

即：

因此，通过控制器设定通入两对励磁线圈和两个磁场聚焦线圈的电流幅值，使得磁纳米颗粒所受电磁力f2大于磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力f1。

磁纳米颗粒的合力为：

f3＝f1-f2

根据磁纳米颗粒需要聚集的目标区域得出磁纳米颗粒需要的合力f3，在控制器中设定通入励磁线圈和磁场聚集线圈电流时序，使得磁纳米颗粒在需要的区域聚集。

附图说明

图1本发明装置结构示意图；

图中：a01第一磁场聚焦磁极，a02第一励磁线圈，a03第一磁场聚焦线圈，a04目标治疗区域，a05第二磁场聚焦磁极，a06第二励磁线圈，a07第三磁场聚焦磁极，a08第三励磁线圈，a09磁纳米颗粒分布区域，a10第四励磁线圈，a11横轴；a12第四磁场聚焦磁极，a13第二磁场聚焦线圈，a14竖轴；a15控制器；

图2控制器通入励磁线圈和磁场聚集线圈电流时序示意图；

图3磁纳米颗粒聚集装置工作模式1磁力线分布示意图；

图4控制器与两对励磁线圈和两个磁场聚集线圈连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明基于磁纳米颗粒运载药物和磁场调控的装置包括两对励磁线圈、两对磁场聚焦磁极、两个磁场聚焦线圈和一台控制器a15。控制器a15与两对励磁线圈和两个磁场聚集线圈相连，如图4所示。

两对励磁线圈产生励磁磁势，使目标治疗区域a04整体达到足够大的磁场强度，为磁纳米颗粒移动提供磁场力。两对磁场聚焦磁极的作用是引导磁通走向，控制目标治疗区域a04的大小，改变磁通回路的磁阻分布，使磁纳米颗粒分布区域a09拥有更大的磁压降，同时减小磁通回路整体磁阻，降低装置耗能。两个磁场聚焦线圈的作用是产生增强磁动势，改变励磁磁势的磁场分布，使目标治疗区域a04的磁场强度高于周围区域，使携带药物的磁纳米颗粒向目标治疗区域a04聚集。控制器a15用于产生特定幅值和时序的电流，控制磁纳米颗粒聚集的位置。

所述的两对磁场聚焦磁极：第一磁场聚焦磁极a01、第二磁场聚焦磁极a05、第三磁场聚焦磁极a07和第四磁场聚焦磁极a12是圆台形或棱台形。

所述的第一磁场聚焦磁极a01与第三磁场聚焦磁极a07同轴布置，第一磁场聚焦磁极a01和第三磁场聚焦磁极a07的磁场聚集磁极横截面小的面朝向轴心，相对布置，第一磁场聚焦磁极a01最小的横截面与第三磁场聚焦磁极a07磁场聚集磁极最小的横截面相距25—30厘米。所述的第二磁场聚焦磁极a05与第四磁场聚焦磁极a12同轴布置，第二磁场聚焦磁极a05与第四磁场聚焦磁极a12横截面小的面朝向轴心，相对布置，第二磁场聚焦磁极a05最小的横截面与第四磁场聚焦磁极a12最小的横截面相距25—30厘米，且轴线与第一磁场聚焦磁极a01与第三磁场聚焦磁极a07轴线正交。

所述的两对励磁线圈：第一励磁线圈a02和第三励磁线圈a08组成一对励磁线圈，第二励磁线圈a06和第四励磁线圈a10组成另一对励磁线圈。第一励磁线圈a02绕制于第一磁场聚焦磁极a01上，所述的第二励磁线圈a06绕制于第二磁场聚焦磁极a05上，所述的第三励磁线圈a08绕制于第三磁场聚焦磁极a07上，所述的第四励磁线圈a10绕制于第四磁场聚焦磁极a12上。

所述的两个磁场聚焦线圈：第一磁场聚焦线圈a03位于第一磁场聚焦磁极a01与第三磁场聚焦磁极a07之间，第一磁场聚焦线圈a03线圈中心轴线与横轴a11重合，第一磁场聚焦线圈a03线圈半径为23—24厘米，第一磁场聚焦线圈a03外表面距离第一磁场聚焦磁极a01最小横截面0.5—1厘米，第一磁场聚焦线圈a03外表面距离第三磁场聚焦磁极a07最小横截面0.5—1厘米。第二磁场聚焦线圈a13位于第二磁场聚焦磁极a05与第四磁场聚焦磁极a12之间，第二磁场聚焦线圈a13线圈中心轴线与竖轴a14重合，第二磁场聚焦线圈a13线圈半径为23—24厘米，第二磁场聚焦线圈a13线圈外表面距离第二磁场聚焦磁极a05最小横截面0.5—1厘米，第二磁场聚焦线圈a13线圈外表面距离第四磁场聚焦磁极a12最小横截面0.5—1厘米。所述的第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08、第四励磁线圈a10和第一磁场聚焦线圈a03、第二磁场聚焦线圈a13通过导线连接到控制器a15。通入第一磁场聚焦线圈a03的电流与第二励磁线圈a06和第四励磁线圈a10中电流方向相同，通入第二磁场聚焦线圈a13的电流与第一励磁线圈a02和第三励磁线圈a08中电流方向相同。

所述的两对磁场聚焦磁极包括第一磁场聚焦磁极a01、第二磁场聚焦磁极a05、第三磁场聚焦磁极a07和第四磁场聚焦磁极a12，其中第一磁场聚焦磁极a01和第三磁场聚焦磁极a07组成一对磁场聚焦磁极，第二磁场聚焦磁极a05和第四磁场聚焦磁极a12组成一对磁场聚焦磁极。一对所述的磁场聚焦磁极：第一磁场聚焦磁极a01和第三磁场聚焦磁极a07对称同轴布置且中心轴线重合。另一对所述的磁场聚焦磁极：第二磁场聚焦磁极a05和第四磁场聚焦磁极a12对称布置，且中轴线重合。

所述的控制器a15分别与两对励磁线圈：第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08、第四励磁线圈a10相连接；控制器a15分别与两个磁场聚焦线圈：第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13相连接。

一对电流方向相同且平行放置的线圈，其在轴线上产生的磁场只沿着轴线方向，如果需要得到完整平面对磁纳米颗粒的控制，则至少需要在其垂直方向再添加一对线圈，两个方向的磁场作为基向量，就可以使磁纳米颗粒在平面任意位置聚集。因此，第二磁场聚焦磁极a05、第四磁场聚焦磁极a12中心轴线与第一磁场聚焦磁极a01、第三磁场聚焦磁极a07的中心轴线垂直。所述的第一磁场聚焦磁极a01、第二磁场聚焦磁极a05、第三磁场聚焦磁极a07和第四磁场聚焦磁极a12材料为硅钢，硅钢磁阻小，减小磁通回路整体磁阻，降低装置耗能。

所述的磁纳米颗粒分布区域a09是圆柱形的。所述的目标治疗区域a04是近似球形的，球半径在23厘米左右。

所述的第一励磁线圈a02和第三励磁线圈a08之间的间距大于等于目标治疗区域a04。所述的第二励磁线圈a06和第四励磁线圈a10之间的间距大于等于目标治疗区域a04。

所述的控制器a15用于产生特定幅值和时序的电流，控制器a15与第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08和第四励磁线圈a10以及第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13。

所述的第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08和第四励磁线圈a10以及第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13通入电流后要保证在磁纳米颗粒目标聚集位置处产生的磁场强度至少在mt量级。

所述的第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08和第四励磁线圈a10及第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13通入的电流频率范围为0-500khz，产生的磁动势幅值范围为5a/m-5000a/m。

所述的聚焦磁场调控装置是通过控制器a15向第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08和第四励磁线圈a10以及第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13通过特定时序与幅值的电流，使携带药物的磁纳米颗粒聚集于目标治疗区域a04。

其具体控制方法如下：

第一步：根据磁纳米颗粒的体积、密度和需要聚集的目标治疗区域a04设定通入第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08和第四励磁线圈a10以及第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13通入特定幅值和时序的电流，通入电流控制时序示意图如图2所示。使磁纳米颗粒所受电磁力大于磁纳米颗粒所受重力与粘滞力的合力；

第二步：根据所设计的磁纳米颗粒分布区域a09进行聚焦磁场调控；

具体如下：

根据安培环路定律，所述的励磁线圈通入电流产生磁动势满足：

公式中，环路积分为线圈电流产生的磁场强度的环路积分。i为线圈通过的电流，n为线圈匝数，dl为磁场强度积分路径，h0为线圈电流产生的磁场强度；

将磁纳米颗粒假设为一个半径为r的小球，根据斯托克斯定律，在粘滞系数为η的流体中运动时，若磁纳米颗粒运动速度为v，磁纳米颗粒所受的粘滞阻力f0为：

f0＝6πηrv

公式中π需精确到小数点后4位，取值为3.1416。

假设磁纳米颗粒的密度为ρ，当磁纳米颗粒在密度为ρ'的液体中运动时，考虑重力的影响，磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力为：

公式中g为所处环境中的重力加速度，f1为磁纳米颗粒受到粘滞力与重力的合力。

假设磁纳米颗粒磁化强度为m，磁导率为μ，磁纳米颗粒所处环境的磁场强度为h0，则磁纳米颗粒所处环境磁感应强度为：

b＝μ(m+h0)

根据安培力定律，磁纳米颗粒的所受电磁力为：

f2＝bil

公式中i磁纳米颗粒等效分子电流大小，l为磁纳米颗粒的等效长度，f2为磁纳米颗粒所受的电磁力。

当磁纳米颗粒所受电磁力f2大于磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力f1时，磁纳米颗粒将按运动速度为v进行运动。

即：

因此，通过设定控制器通入两对励磁线圈第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08、第四励磁线圈a10和两个磁场聚焦线圈第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13的电流幅值，使得磁纳米颗粒所受电磁力f2大于磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力f1。

磁纳米颗粒的合力为：

f3＝f1-f2

根据磁纳米颗粒需要聚集的目标区域得出磁纳米颗粒需要的合力f3，设定控制器通入励磁线圈和磁场聚集线圈电流时序，使得磁纳米颗粒在需要的区域a09聚集。

利用磁纳米颗粒携带药物进行治疗时，聚焦磁场调控装置将携带药物的磁纳米颗粒在目标治疗区域a04聚集，并释放药物。如图1所示，目标治疗区域a04为包含待治疗股骨头的部位。用于产生磁场的线圈是4个励磁线圈：第一励磁线圈a02、第二励磁线圈a06、第三励磁线圈a08和第四励磁线圈a10以及2个磁场聚焦线圈：第一磁场聚焦线圈a03和第二磁场聚焦线圈a13。

本发明聚焦磁场调控装置的工作过程为：

工作模式1：向第一励磁线圈a02、第三励磁线圈a08和第二磁场聚焦线圈a13通入直流电流，使第一励磁线圈a02、第三励磁线圈a08和第二磁场聚焦线圈a13产生沿中心轴线方向的磁场，即竖轴a15方向，其余线圈不加电流。磁纳米颗粒向竖轴a15所在直线区域聚集；

工作模式2：向第二励磁线圈a06、第四励磁线圈a10和第一磁场聚焦线圈a03中通入直流电流，使第二励磁线圈a06和第四励磁线圈a10及第一磁场增强线圈a03产生沿横轴a11方向的磁场，其余线圈不加电流。磁纳米颗粒向横轴a11所在直线区域聚集；

所述的工作模式1和工作模式2交替工作，将使携带药物的磁纳米颗粒向目标治疗区域a04聚集，进而达到治疗目的。

由于工作模式1和工作模式2除磁通方向不同外，励磁线圈和磁场聚焦线圈控制方式均相同，因此以工作模式1为例解释磁纳米颗粒聚集装置磁通走向。

聚焦磁场调控装置工作模式1过程为：控制器a15向第一励磁线圈a02、第三励磁线圈a08和第二磁场聚焦线圈a13中通入直流电流，其余线圈不加电流，装置磁力线走向如图3所示。

图3中可以明显看出工作模式1中磁场沿竖轴a14方向磁力线有明显的聚集趋势，因此携带药物的磁纳米颗粒将向竖轴a14方向移动。同理，工作模式2磁纳米颗粒将沿横轴a11聚集。由于两种工作模式的磁纳米颗粒聚集方向正交，因此当两种工作模式交替工作时，磁纳米颗粒将向图中磁纳米颗粒目标治疗区域a04聚集，实现携带药物磁纳米颗粒聚集的目的。