CN107374719A - 一种热消融针及应用方法 - Google Patents

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王永进
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Abstract

本发明公开了一种热消融针及应用方法，由消融针头1、消融针杆和消融针管。消融针头为NV(Nitrogen Vacancy)色心含量较高的金刚石颗粒，消融针杆为一根光纤。消融针头由UV胶或者低熔点玻璃粉无缝粘合在消融针杆，消融杆伸入与其相匹配的锥形中空的毛细消融针管中。通过ODMR(光学检测磁共振技术)测出晶场势能D的数值，进一步计算出激光功率和消融针头温度之间的函数关系，以实现温控，且NV色心本身就可以作为温度传感器，实时测量控制消融针头的温度。本发明利用已有的CT或者超声影像以及磁共振成像系统可以精确地在组织之间游走，能够更加精确的到达需要治疗的部位，且整个消融针体直径小，质量轻，不需要水冷，系统简单，更加灵活。

Description

一种热消融针及应用方法
技术领域
本发明涉及一种热消融针及应用方法，尤其是一种亚毫米级的用于肿瘤和病变组织的热消融针，具体为涉及NV(Nitrogen Vacancy)色心在激光激励下发热现象用于热消融的消融针。
技术背景
肿瘤的局部热消融治疗是一种对肿瘤或者病变组织有效的治疗手段，具有操作便捷、安全、有效，并具有创伤小、并发症轻、患者痛苦少等特点，是近十年来国内外肿瘤治疗研究的重点。尤其是近几年在医学影像技术的飞速发展下，热消融已经成为一种较为热门的肿瘤治疗方法。
NV色心是金刚石中天然存在的一种原子缺陷，它由一个氮原子和一个最近邻空位组成，即在金刚石晶体中一个氮原子取代碳原子并与最近邻的空穴相结合形成的一种晶格缺陷。其具有C3V对称结构，为非线性多原子分子结构，NV色心的非成对电子基态为3A2，第一激发态为3E。金刚石NV色心的量子能级是由3A2结构的自旋三重态的基态、3E结构三重态激发态和1A亚稳态组成，NV色心在ms＝±1时是顺磁性的，ms＝±1的两个自旋态在外加磁场的情况下会发生塞曼分裂，而ms＝0的自旋态则不受影响。NV色心的基态在ms＝0和ms＝±1态之间存在零场分裂能级差，其能级差为2.87GHZ。金刚石中的NV色心从激发态到基态存在两条竞争关系路径：非辐射性跃迁和辐射性跃迁路径。NV色心中的ms＝0的自旋态由于ESR共振改变到ms＝±1的基态，而非辐射性衰退路径使得2.87GHZ的微波共振所产生的荧光明显低于非共振时的荧光。由图2金刚石NV色心的能级结构可知，基态到激发态的零声子线为637nm，我们如果用532nm的激光去激发，就会有一部分能量弛豫到晶格中，使晶格振动温度升高。
NV色心存在于在天然金刚石中，但其浓度和缺陷位置都不可控。因此我们可以通过人工合成技术来控制其生长。高压高温(HPHT)和化学气相沉积CVD(Chemical VaporDeposition)结合离子注入与退火法是最常见的两种NV色心制备方法。
MRI(Magnetic Resonance Imaging)即磁共振成像，其最大的特点是对人体没有电离辐射损伤。因原子核带有正电，将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向变得有序。这样一来，自旋的核同时也以自旋轴和外加磁场的向量方向的夹角绕外加磁场向量做拉莫尔旋进。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。这样，自旋核还要在射频方向上旋进，这种叠加的旋进状态叫做章动。在射频脉冲停止后，原子核不能维持激化状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱的射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。
本发明创新性的将这一特性应用于热消融领域，较于一般的热消融方法具有体积更小，不需要水冷，系统更加简单，精度更高，功耗更少，成本更低，更加灵活的特点。
发明内容
本发明提供一种新型消融针的设计方案，该消融针在MRI影像技术的配合下能够精确的在组织之间游走，能够更加精确的到达需要治疗的部位，改善治疗效果。
本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种亚毫米级的用于肿瘤和病变组织的热消融针，由消融针头1消融针管2和消融针管3组成。消融针头为NV色心含量较高的金刚石颗粒，消融针头1由UV胶或者低熔点玻璃粉无缝粘合在消融针杆2的前端，消融针杆2伸入与其相匹配的锥形中空的毛细消融针管3中。
使用方法如下：
利用ODMR系统，可得8个中心对称的共振峰，其对称中心即为晶场势能D。测出几组不同功率下的晶场势能D的值，根据D与温度T的已知线性关系dD/dT＝-74kHz/K，我们可以拟合出激光功率P和消融针温度T之间的线性比例关系，而且根据晶体势能的变化，我们可以实时监控消融针头的温度。
由于NV色心本身就是一个非常灵敏的磁场传感器，可以测量磁场矢量，因此我们可以梯度磁场对人体的三位空间分布进行坐标定义，根据磁场矢量的不同来进行消融针定位。同样也可以利用MRI系统来定位消融针头。因为在2.4T磁场下，氢原子共振频率在100MHz，而氮原子在7MHz时产生共振。因此我们可以外加2.4T的磁场，然后将微波频率在100MHz和7MHz间快速切换，当切换频率达到一定速度时即可产生实时的人体和消融针影像
本发明所需的金刚石NV色心含量较高，对于市场上NV色心较低的金刚石，我们采用氮离子注入和退火法增加NV色心的浓度。将氮离子束聚焦到金刚石表面，在此过程中会产生空穴，紧接着在800℃左右的真空环境下进行退火，在此温度下，空穴进行移动，同时氮原子在晶格中产生拉力，捕获空穴，由此产生NV色心。最终转化得到的NV色心的浓度与注入氮离子浓度成正比。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本产品因使用的金刚石和光纤尺寸都很小，因此消融针可在亚毫米级别甚至可达微米级别。由于消融针体直径小，质量轻，更加灵活，能有效改善治疗效果。
2.功耗低。本产品的热消融针针头上的金刚石由UV胶或者低熔点玻璃粉无缝粘合在光纤上，激光能量损失少。而且消融针的功率低，约在100mW量级。
3.系统复杂度低。由于本产品功率低，且工作时除了针头外其他部分温度不会升高，所以不需要水冷系统。所以大大降低了系统复杂度。
4.可实现温控且实时监测。通过ODMR(光学检测磁共振技术)测出晶场势能D的数值，进一步计算出激光功率和消融针之间的函数关系，以实现温控，而且根据晶体势能D的变化，可以实时监测消融针头温度。
5.易于医学成像。利用氢核和氮核共振频率相差14倍，通过MRI很容易对其进行区分。通过频率的快速切换，生成叠加在MRI图像背景上的金刚石相对空间的动态图像。
本发明依靠极小的体积，利用已有的MRI影像系统可以精确的在组织之间游走，能够更加精确的到达需要治疗的部位，且整个消融针体质量轻，不需要水冷，系统更加简单，更加灵活，能有效改善治疗效果。尤其是对于小器官肿瘤的治疗，要求消融的范围更加精准。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的结构示意图，其中1为针头，其材质为金刚石；2为针杆，其材质为锥形光纤；3为针管，其材质为锥形钢管。
图2为用于说明发热原理的NV色心能级结构图，其中1为基态到激发态的零声子线，为637nm；2为激发波长，为532nm；3为弛豫到晶格中产生的热能。
图3a为用于实现温控的ODMR测量系统示意图，其中1为亥姆霍兹线圈，2为消融针，3为微波天线。
图3b为ODMR系统测出的Rabi振荡的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明进行进一步说明。
参考图1所示，本发明的一个实施例是一种基于NV色心的亚毫米级的肿瘤热消融针，由消融针头1、消融针杆2和消融针管3组成。消融针头为NV色心含量较高的金刚石颗粒，消融针头1由UV胶或者低熔点玻璃粉无缝粘合在消融针杆2的前端，消融杆2伸入与其相匹配的锥形中空的毛细消融针管3中。
在本实施例中，消融针管3为与光纤针杆2相匹配的锥形中空毛细钢管，钢管可使用冷压加工成型的方法或者高温拉拔技术进行制造。固定光纤针杆时在锥形针管内部涂抹UV胶或者高温胶，将光纤针杆放置好后再用紫外固化灯或者高温进行固化。之后再在光纤端面涂抹UV胶或者低温玻璃粉，固定金刚石。
在本实施例中所需的金刚石NV色心含量较高，建议含量为1ppm-1000ppm.对于市场上NV色心较低的金刚石，我们采用N离子注入和退火法增加NV色心的浓度。将N离子束聚焦到金刚石表面，在此过程中会产生空穴，紧接着在800℃左右的环境下进行退火，在此温度下，空穴进行移动，同时N原子在晶格中产生拉力，捕获空穴，由此产生NV色心。并且NV色心的浓度与注入N离子浓度成正比。
如图3a所示，我们在一个磁铁附近放置一个微波天线，该磁铁的作用是产生一个固定磁场环境。然后将消融针放入磁场内。对微波天线通以微波，通过ODMR系统我们可以得到如图3b所示的Rabi振荡的频谱图。可以看到图中有8个共振峰，定义为1-8，1峰与8峰、2峰与7峰、3峰与6峰、4峰与5峰均值相等，其均值即为晶场势能D。通过改变激光功率，测取几组不同功率下的晶场势能D的值，再根据＝-74kHz/K，可以拟合出激光功率P和消融针温度T之间的函数关系，由此实现温控。而且根据实时测得的晶场势能D，再结合公式＝-74kHz/K即可实现温度的实时监控。
对金刚石的定位基于人造金刚石中存在相当浓度的氮原子(-)，由于氮和氢14的旋磁比相差14倍，二者在同一磁场下的进动频率也差14倍，MRI系统很容易对这两个不同的振动频率进行区分，通过频率的快速切换，生成叠加在MRI图像背景上的金刚石相对空间的动态图像。MRI医学共振成像技术是成熟的技术，本发明不再详述其工作原理。

Claims (4)

1.一种热消融针，其特征在于，由消融针头(1)、消融针杆(2)和消融针管(3)组成，消融针头(1)由UV胶或者低熔点玻璃粉无缝粘合在消融针杆(2)的前端，消融针杆(2)伸入与其相匹配的锥形中空的毛细消融针管(3)中。
2.如权利要求1所述的消融针，其特征在于，消融针头(1)为含NV色心的金刚石颗粒。
3.如权利要求1所述的消融针，其特征在于，消融针头(1)选用无光学漂白性，易控温，能激发出稳定荧光的含NV色心的金刚石、蓝宝石、红宝石的固体颗粒材料。
4.如权利要求1所述的消融针的应用方法，其特征在于，步骤如下：
1)利用ODMR即光学检测磁共振系统，得到8个中心对称的共振峰，其对称中心即为晶场势能D；测出几组不同功率下的晶场势能D的值，根据D与温度T的已知线性关系dD/dT＝-74kHz/K，拟合出激光功率P和消融针温度T之间的线性比例关系，实现温控；并根据晶体势能的变化，实时监控消融针头的温度；
3)利用氢核和氮核共振频率的不同的特性，通过频率的快速切换，生成叠加在MRI图像背景上的金刚石相对空间的动态图像。
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