CN110180076A - 空间内磁颗粒调控聚集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种空间内磁颗粒调控聚集系统，包括电源模块、通断控制模块和磁控装置，电源模块的输出端组经通断控制模块向磁控装置分时分区分压供电；电源模块包括极化供电单元和推动供电单元，对应每组极化线圈组分别设有对应的极化供电单元，对应每个推动线圈分别设有对应的推动供电单元；通断控制模块包括供电控制单元和供电驱动单元，极化供电单元或者推动供电单元均经一个供电控制单元向磁控装置中的极化线圈或者推动线圈供电，供电驱动单元用于驱动供电控制单元开通或者关断。采用本发明的有益效果是，对各个方向上的极化线圈组和推动线圈通电，逐渐推动磁颗粒从相应的方向向磁调控区中心运动，高度可控地实现磁颗粒的聚集。
Description
技术领域
本发明涉及磁性颗粒材料的控制领域，具体涉及一种空间内磁颗粒调控聚集系统。
背景技术
磁性颗粒尤其是纳米磁颗粒是近年来发展迅速且极具应用价值的新型材料，在现代科学的众多领域如生物医药、磁流体、催化作用、核磁共振成像、数据储存和环境保护等得到越来越广泛的应用。纳米磁颗粒一般由铁、钴、镍等金属及其氧化物组成，在医学领域中其通常为核壳结构，由磁性内核及包裹在磁性内核外的高分子聚合物/硅/羟基磷灰石壳层组成。最常见的核层由具有超顺磁或铁磁性质的Fe3O4或γ-Fe2O3制成，具有磁导向性，意味着磁场环境下磁颗粒具有靶向性。在外加磁场作用下磁颗粒可定向移动，方便定位和靶向目标区域。
磁颗粒携带药物后，在磁调控作用下，能很好的聚集于靶向位置，有助于当前一些重大疾病的治疗实现重大技术突破，如肿瘤治疗等。然而，现有技术条件下这些磁颗粒很难在磁场作用下聚焦于身体深部位置，只能聚焦于浅表组织。这样，药物通过血液循环在除目标部位之外的正常组织中扩散就会产生药物副作用，特别是药效剧烈的药物如抗癌药物，其对正常组织细胞也有杀伤作用。解决这一问题的关键在于如何控制药物准确的抵达病灶处，以及药物的准确释放。尽管现有靶向技术包括磁靶向技术已得到快速发展，但如何实现深度靶向仍面临重大技术挑战，并且也是国际研究热点，最近两年国际顶尖期刊均有关于磁调控技术的报道。尽管研究取得了一些进展，将磁调控技术应用于临床试验还面临技术挑战。人体生理条件下，磁颗粒的运动状态非常复杂，因此基础研究需要以简化的模型在体外条件下进行验证。首先要解决的问题是，如何在简化的体外环境下，发展高度可控的磁颗粒的磁调控装置和方法。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明的目的之一在于提供一种空间内磁颗粒调控聚集系统。
技术方案如下：
一种空间内磁颗粒调控聚集系统，其关键在于，
包括电源模块、通断控制模块和磁控装置，其中电源模块的输入端设置有市电接口，所述电源模块的输出端组经所述通断控制模块向所述磁控装置分时分区分压供电；
所述磁控装置包括至少两对线圈对，一对所述线圈对包括两组极化线圈组，一组所述极化线圈组包括两个子线圈；
同一组的两个所述子线圈平行、正对设置，且导线绕向相同，同一组的两个所述子线圈之间形成单向极化区；
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈之间相互平行，同一对的两个所述极化线圈组的导线绕向相反，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区互有交叉，以形成双向极化区；
一对所述线圈对还包括两个推动线圈，所述推动线圈的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线平行，两个所述推动线圈的中心线位于同一直线上，两个所述推动线圈分别位于对应所述双向极化区的两侧，两个所述推动线圈的内端分别朝向对应的所述双向极化区；
不同对的所述线圈对的子线圈之间互有夹角；
不同对的所述线圈对的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区；
所述电源模块包括极化供电单元和推动供电单元，对应每组所述极化线圈组分别设有对应的所述极化供电单元，对应每个所述推动线圈分别设有对应的所述推动供电单元；
所述通断控制模块包括供电控制单元和供电驱动单元，所述极化供电单元经供电控制单元向所述磁控装置极化线圈供电；所述推动供电单元经供电控制单元向所述磁控装置中的推动线圈供电；所述供电驱动单元用于驱动所述供电控制单元开通或者关断。
采用以上设计，电源模块可控地为磁控装置的各个线圈分时分区分压的供电，将磁性颗粒放入磁调控区内，向某个极化线圈组通电从而对磁性颗粒进行极化，然后与之配合的推动线圈通电，该推动线圈在磁调控区内的磁场方向与极化线圈组的磁场方向一致，推动线圈对磁性颗粒的排斥力推动极化的磁性颗粒向磁调控区的中心平面聚集，这样依次对各个线圈对内的两组极化线圈组通电，逐渐推动磁性颗粒从相应的方向向着磁调控区的中心聚集，该装置可以高度可控地实现磁性颗粒的聚集。
作为优选技术方案，同一组的两个所述子线圈由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于对应的两个所述子线圈，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈；
同一组的两个所述子线圈与相同对内另一组的两个所述子线圈相互包裹；
同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区重叠，从而使所述双向极化区和单向极化区重合。
采用以上设计，一个线圈对内的两个极化线圈组绕设在一起，使得二者的极化区域完全重合，相较两个线圈组错位设置，本发明的极化线圈组的导线绕设方式能够使两个极化线圈组之间的磁场区域高度重合，从而提供最大的有效磁场区域，特别是在有多组线圈对的情形下，整个磁调控区的有效空间最大化。
作为优选技术方案，上述推动线圈的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线重合，形成调控中心线；
所有所述推动线圈的中心线相交于所述磁调控区的中心。
采用以上设计，放入磁调控区内的磁性颗粒在各个线圈对的中心线方向上受到的推动力较为均匀，从而有利于磁性颗粒运动的稳定性，有利于较好地控制其聚集过程以及提高最终聚集度。
作为优选技术方案，上述子线圈为正方形线圈，其边长为L；
同一组的两个所述子线圈之间的距离为D；
D＝L/2；
所述推动线圈为螺线管，其半径记为r，所述推动线圈内端面到所述磁调控区的中心的距离为d，
采用以上设计，两个线圈环之间的距离保证单向极化区内的磁场近似于均匀磁场，使得分散在磁调控区域内的各个磁性颗粒受到的极化磁场的作用一致；根据通电螺线管的磁场分布特点可知，在满足上述距离参数的条件下，通电螺线管在磁调控区域中心处的磁场强度趋于零，因而可以避免在推动磁性颗粒运动过程中磁性颗粒沿着一个方向越过磁调控区域中心，并避免磁调控区域中心另一侧的磁颗粒受到推动力而向磁调控区边缘移动，各个方向依次推动磁性颗粒，使得所有磁性颗粒可以高度聚集在磁调控区域中心处。。
作为优选技术方案，所有所述线圈对在同一平面内绕所述磁调控区的中心环向均匀分布；
所述线圈对有两组，两组所述线圈对的调控中心线相垂直。
采用以上设计，在所有线圈对的中心线所在的平面内，通过平面内两条直线的四个方向上的推动，即可完成磁性颗粒在该平面内的聚集，装置结构简单。
作为优选技术方案，所有所述线圈对以所述磁调控区的中心发散分布在三维空间内；
所述线圈对有三组，三组所述线圈对的调控中心线相互垂直，三对所述线圈对的调控中心线正交于所述磁调控区的中心。
采用以上设计，通过空间内三条正交直线的六个方向上的推动，即可完成磁性颗粒在三维空间内的聚集，装置结构简单。
再进一步的技术方案是：所述极化供电单元包括高压极化供电单元和低压极化供电单元；所述推动供电单元包括高压推动供电单元和低压推动供电单元。
通过上述方案，根据线圈的极化功能和推动功能的不用，以及每个功能作用力的不同，对应设置不同的供电单元，进行分区供电，并且可根据不同线圈所需要的电压和导通时间，进行智能化设置。
再进一步的技术方案是：所述高压极化供电单元的输出电压为500-550V；
所述低压极化供电单元的输出电压为120-160V；
所述高压推动供电单元的输出电压为780-850V；
所述低压推动供电单元的输出电压为100-150V。
通过上述方案，实现不同线圈不同电压供电，以匹配不同的推动或者极化作用力；并且可以根据极化量级或者推动速度，来匹配不同的供电电压。
再进一步的技术方案是：所述供电控制单元包括高压极化供电控制单元、低压极化供电控制单元、高压推动供电控制单元、低压推动供电控制单元；所述高压极化供电单元经所述高压极化供电控制单元向所述极化线圈组中的极化线圈供高压电；所述低压极化供电单元经所述低压极化供电控制单元向所述极化线圈组中的极化线圈供低压电；所述高压推动供电单元经所述高压推动供电控制单元向所述推动线圈中的推动线圈供高压电；所述低压推动供电单元经所述低压推动供电控制单元向所述推动线圈中的推动线圈供低压电。
通过上述方案，任一极化线圈或者推动线圈都一一对应设置有一路供电线路，该供电线路包括电源和电源开关，并且电源开关受到控制单元控制，实现电压分开控制，且电压可调。
并且通过调换通电的电压以及改变通电的位置，使磁场方向随之改变，如果在短时间内，沿着逆时针或者顺时针方向，快速更换通电线圈，则可以认为是磁场在快速旋转，从而带动微粒进行旋转。
再进一步的技术方案是：所述供电驱动单元(F2)的高压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间为5μs；所述供电驱动单元(F2)的低压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间为600μs；所述供电驱动单元(F2)的高压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间为40μs；所述供电驱动单元(F2)的低压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间为60μs。
采用上述方案，实现供电时间控制，并且在具体实施过程中，时间可以根据供电控制单元进行调节。
有益效果：采用本发明的有益效果是，依次对各个线圈对内的极化线圈组和推动线圈通电，逐渐推动磁性颗粒从相应的方向向着磁调控区的中心聚集，该装置可以高度可控地实现磁性颗粒的聚集。并且通过快速改变通电电压，可改变磁场作用力，从而达到快速加减速。如果沿着逆时针或者顺时针方向，依次且快速更换通电线圈，则可以认为是磁场在快速旋转，形成旋转磁场，从而带动微粒进行旋转。实时改变磁颗粒的受力方向和受力大小。使颗粒受力可调、运动速度可变，作用方向可转，移动轨迹可控，实现颗粒多维度位置移动，多维度作用效果。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例二的结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为线圈对的结构示意图；
图5为实施例三的结构示意图；
图6为采用实施例四或五的方法在平面内调控磁颗粒聚集的过程，图中展示了一个通电周期内磁颗粒的运动；
图7为实施例六中对一个极化-推动线圈组进行一次通电的通电参数；
图8通过视频截图方式展示实施例六中磁颗粒聚集过程；
图9为通过改变控制参数，操控聚集后的磁颗粒在磁调控区内移动的照片；
图10为供电单元的电源电路结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1所示，一种空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：
包括电源模块E、通断控制模块F和磁控装置G，其中电源模块E的输入端设置有市电接口，所述电源模块E的输出端组经所述通断控制模块F向所述磁控装置G分时分区分压供电；
如图2～5所示，所述磁控装置G包括两对线圈对100，一对所述线圈对100 包括两组极化线圈组，一组所述极化线圈组包括两个子线圈；
同一组的两个所述子线圈平行、正对设置，且导线绕向相同；同一组的两个所述子线圈之间形成单向极化区；
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈之间相互平行，同一对的两个所述极化线圈组的导线绕向相反，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区互有交叉，以形成双向极化区；
一对所述线圈对100还包括两个推动线圈120，所述推动线圈120的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线平行，两个所述推动线圈120的中心线位于同一直线上，两个所述推动线圈120分别位于对应所述双向极化区的两侧，两个所述推动线圈120的内端分别朝向对应的所述双向极化区；
不同对的所述线圈对100的子线圈之间互有夹角；
不同对的所述线圈对100的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区130。
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈的中心线重合。
所述电源模块E包括极化供电单元E1和推动供电单元E2，对应每组所述极化线圈组分别设有对应的所述极化供电单元E1，对应每个所述推动线圈120 分别设有对应的所述推动供电单元E2；
所述通断控制模块F包括供电控制单元F1和供电驱动单元F2，所述极化供电单元E1经供电控制单元F1向所述磁控装置G极化线圈供电；所述推动供电单元E2经供电控制单元F1向所述磁控装置G中的推动线圈120供电；所述供电驱动单元F2用于驱动所述供电控制单元F1开通或者关断。
所述极化供电单元E1包括高压极化供电单元和低压极化供电单元；
所述推动供电单元E2包括高压推动供电单元和低压推动供电单元。
所述供电控制单元F1包括高压极化供电控制单元、低压极化供电控制单元、高压推动供电控制单元、低压推动供电控制单元；
所述高压极化供电单元经所述高压极化供电控制单元向所述极化线圈组中的极化线圈供高压电；
所述低压极化供电单元经所述低压极化供电控制单元向所述极化线圈组中的极化线圈供低压电；
所述高压推动供电单元经所述高压推动供电控制单元向所述推动线圈中的推动线圈供高压电；
所述低压推动供电单元经所述低压推动供电控制单元向所述推动线圈中的推动线圈供低压电。
在本实施例中，供电控制单元均为电源开关IGBT；其中，高压极化供电控制单元为第一电源开关IGBT-1；低压极化供电控制单元为第二电源开关IGBT-2；高压推动供电控制单元为第三电源开关IGBT-3；低压推动供电控制单元为第四电源开关IGBT-4。
从图10可以看出，高压极化供电单元对应线路为图10中的线路1，低压极化供电单元线路为图10中的线路2；高压推动供电单元线路为图10中的线路3；低压推动供电单元线路为图10中的线路4。
其中，线路1为高压输出电路，用于连接极化线圈组，具体包括次级线圈 T1H，次级线圈T1H经由二极管D11、D12、D13、D14组成的整流电路后，与极化boost升压电路连接后经第一电源开关IGBT-1后向极化线圈组供高压电。
其中线路1的极化boost升压电路由电感L1、开关管Q11、二极管D15、电容C11组成。
其中，线路2为低压输出电路，用于连接极化线圈组，具体包括次级线圈 T1L，次级线圈T1L经由二极管D21、D22、D23、D24组成的整流电路后，与极化BUCK降压电路连接后经第二电源开关IGBT-2后向极化线圈组供低压电。
其中线路2的极化buck降压电路由电感L2、开关管Q21、二极管D25、电容C21组成。
其中，线路3为高压输出电路，用于连接推动线圈组，具体包括次级线圈 T2H，次级线圈T2H经由二极管D31、D32、D33、D34组成的整流电路后，与极化boost升压电路连接后经第三电源开关IGBT-3后向极化线圈组供高压电。
其中线路3的推动boost升压电路由电感L3、开关管Q31、二极管D35、电容C31组成。
其中，线路4为低压输出电路，用于连接推动线圈组，具体包括次级线圈 T2L，次级线圈T2L经由二极管D41、D42、D43、D44组成的整流电路后，与极化BUCK降压电路连接后经第四电源开关IGBT-4后向推动线圈组供低压电。
其中线路4的极化buck降压电路由电感L4、开关管Q41、二极管D45、电容C41组成。
结合突7可以看出，所述高压极化供电单元的输出电压为540V；
所述低压极化供电单元的输出电压为150V；
所述高压推动供电单元的输出电压为800V；
所述低压推动供电单元的输出电压为120V。
所述高压极化供电单元的输出时间为5μs；
所述低压极化供电单元的输出时间为600μs；
所述高压推动供电单元的输出时间为40μs；
所述低压推动供电单元的输出时间为60μs。
所述极化控制单元G1和推动控制单元G2均为IGBT模块，即绝缘栅双极型晶体管。
为使同一组的两个所述子线圈之间的极化区的极化磁场为均匀磁场，从而使该区域内的磁颗粒受到的磁场力一致，同一组的两个所述子线圈由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于对应的两个所述子线圈，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈。
同一组的两个所述子线圈与相同对内另一组的两个所述子线圈相互包裹，也即同一对的两个所述极化线圈组的子线圈分别缠绕到一起。这样，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区重叠，从而使所述双向极化区和单向极化区重合。
所述推动线圈120的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线重合，形成调控中心线，所有所述推动线圈120的中心线相交于所述磁调控区130的中心。
为方便所述磁控装置G的各个线圈的安装，还设置有绕线模壳，所有所述子线圈分别绕制于所述绕线模壳上，所述推动线圈120固定于所述绕线模壳上。具体地，所述绕线模壳为外形呈正多面体形的壳体，平行于该绕线模壳的一对相对面绕设有同一对的两个所述极化线圈组，在这两个相对面中的上分别固定设置有所述推动线圈120。绕线模壳可使用高分子材料制造，以不干扰内部磁场为准。
所述子线圈为正方形线圈，其边长为L，同一组的两个所述子线圈之间的距离为D，D＝L/2。
这样，一个极化线圈组通电后，其两个子线圈之间的磁场分布近似是均匀的。所述推动线圈120为螺线管，其半径为r，所述推动线圈120的内侧端面到所述对应的双向极化区中心的距离为d，d与r的关系为：
一对所述线圈对100的两组极化线圈组绕向相反，施加同样的电压后，二者在双向极化区的磁场方向相反，用于对磁颗粒进行极化，相应的两个所述推动线圈120分别与两组极化线圈组配合，用于推动磁颗粒运动。
为表述方便，将一组相配合的极化线圈组和推动线圈120称为一个方向的极化-推动线圈组。下面为磁控装置G的具体应用形式。
实施例二
图2和3展示了一种平面磁控装置。所述线圈对100有两对，两对所述线圈对100的中心线相垂直。内部设有立方体状的绕线模壳，极化线圈组均绕设在该绕线模壳上，推动线圈120穿设在相应的绕线模壳的面上。为表述方便，两组所述线圈对100的中心线分别记为x轴和y轴，则x轴和y轴上分别设有两个推动方向相反的极化-推动线圈组。将四个推动方向的极化线圈组依次记为 X+极化线圈组、X-极化线圈组、Y+极化线圈组和Y-极化线圈组，四个推动方向的推动线圈依次记为X+推动线圈、X-推动线圈、Y+推动线圈和Y-推动线圈。 X+极化线圈组和X+推动线圈组成X+极化-推动线圈组，其余依此类推，分别为 X-极化-推动线圈组、Y+极化-推动线圈组和Y-极化-推动线圈组。
该实施例一的磁控装置G可用于xy平面内分散的磁性颗粒的调控聚集。
实施例三
图5展示的是一种三维磁控装置。所述线圈对100有三组，三组线圈对100 围成立方体形的所述磁调控区130，三组所述线圈对100的中心线正交于所述磁调控区130的中心。内部设有正方体形的中空绕线模壳，极化线圈组均绕设在该绕线模壳上，推动线圈120穿设在相应的绕线模壳的面上。
为表述方便，三组所述线圈对100的中心线分别记为x轴、y轴和z轴，则 x轴、y轴和z轴上分别设有两个推动方向相反的极化-推动线圈组。将六个推动方向的极化线圈组依次记为X+极化线圈组、X-极化线圈组、Y+极化线圈组、 Y-极化线圈组、Z+极化线圈组和Z-极化线圈组，六个推动方向的推动线圈依次记为X+推动线圈、X-推动线圈、Y+推动线圈、Y-推动线圈、Z+推动线圈和Z- 推动线圈。组合后，依次组成X+极化-推动线圈组、X-极化-推动线圈组、Y+极化-推动线圈组、Y-极化-推动线圈组、Z+极化-推动线圈组、Z-极化-推动线圈组。
以X轴方向为例，对实施例一和实施例二中的所述线圈对100详细说明：
X轴向的所述线圈对100包括正向极化线圈组A和反向极化线圈组B；
所述正向极化线圈组A包括两个子线圈，分别为子线圈A1和子线圈A2；所述子线圈A1和子线圈A2平行、正对设置，且导线绕向相同，所述子线圈A1 和子线圈A2之间形成单向极化区A；
所述反向极化线圈组B包括两个子线圈，分别为子线圈B1和子线圈B2；所述子线圈B1和子线圈B2平行、正对设置，且导线绕向相同；所述子线圈B1 和子线圈B2之间形成单向极化区B；
所述子线圈A1、子线圈A2、子线圈B1和子线圈B2的绕线圈数相同，所述子线圈A1、子线圈A2、子线圈B1、子线圈B2的中心线重合；
所述正向极化线圈组A的两个子线圈和所述反向极化线圈组B的两个子线圈之间相互平行，所述正向极化线圈组A和所述反向极化线圈组B的导线绕向相反；
所述子线圈A1、子线圈A2由同一根极化导线A同向绕制而成，该极化导线A的中间段垂直于所述子线圈A1和子线圈A2，该极化导线A中间段的两端分别连接有所述子线圈A1和子线圈A2；
所述子线圈B1、子线圈B2由同一根极化导线B同向绕制而成，该极化导线B的中间段垂直于所述子线圈B1和子线圈B2，该极化导线B中间段的两端分别连接有所述子线圈B1和子线圈B2；
所述极化导线A和极化导线B均为漆包线；
所述子线圈A1和子线圈B1包裹为一体形成第一个环状线束110，所述子线圈A2和子线圈B2包裹为一体形成另一个环状线束110；
所述单向极化区A和单向极化区B重合，形成双向极化区；
X向的所述线圈对100还包括两个推动线圈120，分别为X+向推动线圈和 X-向推动线圈，其中X+向推动线圈与第一个环状线束110位于同侧，X-向推动线圈与第二个环状线束110位于同侧。
实施例四
一种磁颗粒的调控聚焦方法，其过程为，
将分散的磁颗粒放入磁控装置G的的磁调控区130内；
对磁控装置G通电，磁控装置G的通电规则为：从一组极化-推动线圈组开始通电，一定时间后断电，接着与其相邻的下一个极化-推动线圈组通电，这样分别依次对所有极化-推动线圈组通电，为一个极化推动通电周期；
每个极化-推动线圈组的通电规则为，向该极化-推动线圈组的极化线圈组施加电压为Uj，持续时间为Tj，完成对磁性颗粒的极化，间隔时间△T后向该线圈组的推动线圈120施加电压Ut，持续时间为Tt；推动磁性颗粒沿着该推动线圈 120的中心线方向向与其垂直的并经过磁调控区中心的面靠近；
按照通电时序和电压重复所述极化推动通电周期，从各个方向依次逐渐推动磁颗粒向磁调控区130的中心聚集。
具体来说，实施例二中的磁控装置G的通电过程为：先对X+极化线圈组和 X+推动线圈先后通电；然后对Y+极化线圈组和Y+推动线圈先后通电；再对X- 极化线圈组和X-推动线圈先后通电；最后对Y-极化线圈组和Y-推动线圈先后通电，完成一个通电周期。逆着该顺序通电也是可行的。
图6展示了在平面内调控磁颗粒聚集的过程，图中展示的是一个通电周期内磁颗粒的运动状态。初始状态下磁颗粒的分布状态如图6中a所示，开始运行后，首先X+线圈组通电产生磁力，并推动靠近X+线圈组的磁调控区域130 内的磁颗粒向中部移动，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显向中部聚集，然后X+线圈组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中b所示，靠近X+线圈组的磁调控区域130内的磁颗粒向y轴运动；随即Y+线圈组的通电产生磁力，并推动靠近Y+线圈组的磁调控区域130内的磁颗粒向中部移动和聚集，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显向x轴聚集，然后Y+线圈组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中c所示，靠近Y+线圈组区域内的磁颗粒聚集在x轴处；随即X-线圈组通电并产生磁力，推动靠近X-线圈组的磁调控区域130内的磁颗粒向中部移动和聚集，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显聚集在中部，然后X-线圈组断电，此时磁颗粒分布状态如图6中d所示，靠近X-线圈组区域内的磁颗粒向y轴处聚集；随即Y-线圈组通电产生磁力，并推动靠近Y-线圈组区域内磁颗粒向中部移动和聚集，持续一段时间后，该区域内的磁性颗粒明显聚集在中部，然后Y-线圈组的断电，此时磁颗粒分布状态如图6中e所示，磁颗粒明显向磁调控区的中心聚集。如此反复进行多次后，磁颗粒可全部聚集在磁调控区域130的中心处。
实施例三中的磁控装置G的通电过程的一个例子为：第一步对X+极化线圈组和X+推动线圈先后通电；第二步对Y+极化线圈组和Y+推动线圈先后通电；第三步Z+极化线圈组和Z+推动线圈先后通电；第四步对X-极化线圈组和X-推动线圈先后通电；第五步对Y-极化线圈组和Y-推动线圈先后通电；第六步对Z- 极化线圈组和Z-推动线圈先后通电，完成一个通电周期。本领域普通技术人员应该认识到，改变各个方向的通电顺序，并在一个通电周期内依次完成所有方向的通电，也是可行的。
实施例五
与实施例四的不同之处在于，每个所述极化-推动线圈组的通电规则为，先向该极化-推动线圈组的极化线圈组施加电压为Ujh，持续时间为Tj1，然后将电压降为Uj，持续时间为Tj2，且Tj1+Tj2＝Tj；
间隔时间后△T，向同一个所述极化-推动线圈组的推动线圈120施加电压Uth，持续时间为Tt1，然后将电压降为Ut，持续时间为Tt2，且Tt1+Tt2＝Tt。
这样做的原因在于，由于线圈存在电感阻抗效应，刚通电时，其磁场强度是一个逐渐增大然后趋于稳定的过程。首先向线圈施加高电压，使得线圈的磁场强度更快地增加到设计值，然后再施加较低的维持电压。相较于施加恒定的维持电压的做法，本方法能够提高磁控装置G的响应性，使得磁性颗粒的运动更为可控。
实施例六
根据实施例五中的方法，验证本发明的有效性。以实施例二的磁控装置G为例。
将10毫克20～200nm的Fe3O4磁颗粒分散在20ml液体中，然后将其放入直径为50mm的玻璃瓶中，将玻璃瓶放入磁场调控区中心位置。设置控制参数为：
如图7所示，向极化线圈组施加电压为Ujh＝540V，持续时间为Tj1＝5μs，然后将电压降为Uj＝150V，持续时间为Tj2＝600μs，间隔时间△T＝605μs，向所述线圈组100的推动线圈120施加电压Uth＝-800V，持续时间为Tt1＝40μs，然后将电压降为Ut＝-120V，持续时间为Tt2＝60μs。
本实验中，电源通电频率为32Hz，推动线圈电流达120A，根据上述方法对平面内磁纳米颗粒进行聚集。利用视频记录推动过程中玻璃瓶内的磁颗粒的分布情况，根据时间选取截图，由图8可见，随着时间增加，均匀分布在平面内磁纳米颗粒不断向中心区域汇聚，当仪器工作180s时，磁纳米颗粒明显聚集在中心区域。
实施例七
磁性颗粒在液体中运动时，距离某个推动线圈越远，受到的推动力越小，此外，还受到液体的阻力以及与瓶底的摩擦力。因此，通过设定电流大小以获得适当的磁场强度，可以使磁性颗粒缓慢地、可控地、逐步地聚集。进一步地，还可通过改变施加电压值和通电时间，使聚集的磁颗粒团沿特定路线移动，如图9所示，图中圆圈内为磁颗粒团。
本实验通过合理控制电源系统以获得适当的磁场，实现磁纳米颗粒在磁排斥力的作用下不断向前运动，通过四个平面方向的推动，不断将磁纳米颗粒聚焦在磁调控区域中心。通过改变通电参数，还可以使聚集后的磁纳米颗粒团沿特定路线移动或推动到目标位置。应该注意到的是，当设置2组以上的多对线圈对时，按照上述类似规则依次对各个方向的单向极化-推动组通电，通电过程连续变化，形成空间内旋转变化的多向磁场，从各个方向对磁颗粒进行推动，可实现对磁颗粒更为精细的调控。可以预见，线圈对数量越多，对磁颗粒的运动控制就越精细。并且通电电压可以调节，从而使受力大小运动速度都可控制，综上，通过上述方案，使颗粒受力可调、运动速度可变，作用方向可转，移动轨迹可控，实现颗粒多维度位置移动，多维度作用效果。此种聚焦磁颗粒的方法和装置可应用于生物医学领域实验室研究，如深部肿瘤细胞的靶向去除，为更复杂、更接近生物体组织环境下的载药磁颗粒的靶向治疗提供基础。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：包括电源模块(E)、通断控制模块(F)和磁控装置(G)，其中电源模块(E)的输入端设置有市电接口，所述电源模块(E)的输出端组经所述通断控制模块(F)向所述磁控装置(G)分时分区分压供电；
所述磁控装置(G)包括至少两对线圈对(100)，一对所述线圈对(100)包括两组极化线圈组，一组所述极化线圈组包括两个子线圈；
同一组的两个所述子线圈平行、正对设置，且导线绕向相同，同一组的两个所述子线圈之间形成单向极化区；
同一对的两个所述极化线圈组的子线圈之间相互平行，同一对的两个所述极化线圈组的导线绕向相反，同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区互有交叉，以形成双向极化区；
一对所述线圈对(100)还包括两个推动线圈(120)，所述推动线圈(120)的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线平行，两个所述推动线圈(120)的中心线位于同一直线上，两个所述推动线圈(120)分别位于对应所述双向极化区的两侧，两个所述推动线圈(120)的内端分别朝向对应的所述双向极化区；
不同对的所述线圈对(100)的子线圈之间互有夹角；
不同对的所述线圈对(100)的双向极化区互有交叉，以形成磁调控区(130)；
所述电源模块(E)包括极化供电单元(E1)和推动供电单元(E2)，对应每组所述极化线圈组分别设有对应的所述极化供电单元(E1)，对应每个所述推动线圈(120)分别设有对应的所述推动供电单元(E2)；
所述通断控制模块(F)包括供电控制单元(F1)和供电驱动单元(F2)，所述极化供电单元(E1)经供电控制单元(F1)向所述磁控装置(G)极化线圈供电；所述推动供电单元(E2)经供电控制单元(F1)向所述磁控装置(G)中的推动线圈(120)供电；所述供电驱动单元(F2)用于驱动所述供电控制单元(F1)开通或者关断。
2.根据权利要求1所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：同一组的两个所述子线圈由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于对应的两个所述子线圈，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈；
同一组的两个所述子线圈与相同对内另一组的两个所述子线圈相互包裹；
同一对的两个所述极化线圈组的单向极化区重叠，从而使所述双向极化区和单向极化区重合。
3.根据权利要求2所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所述推动线圈(120)的中心线与同一对内的所述子线圈的中心线重合，形成调控中心线；
所有所述推动线圈(120)的中心线相交于所述磁调控区(130)的中心。
4.根据权利要求1所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：
所述子线圈为正方形线圈，其边长为L；
同一组的两个所述子线圈之间的距离为D；
D＝L/2；
所述推动线圈(120)为螺线管，其半径为r，所述推动线圈(120)的内侧端面到所述对应的双向极化区中心的距离为d，内端面到所述磁调控区(130)中心的距离为d，
5.根据权利要求3所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所有所述线圈对(100)在同一平面内绕所述磁调控区(130)的中心环向均匀分布；
所述线圈对(100)有两对，两对所述线圈对(100)的调控中心线相互垂直。
6.根据权利要求3所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所有所述线圈对(100)以所述磁调控区(130)的中心发散分布在三维空间内；所述线圈对(100)有三对，三对所述线圈对(100)的调控中心线相互垂直，三对所述线圈对(100)的调控中心线正交于所述磁调控区(130)的中心。
7.根据权利要求3所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所述极化供电单元(E1)包括高压极化供电单元和低压极化供电单元；
所述推动供电单元(E2)包括高压推动供电单元和低压推动供电单元。
8.根据权利要求7所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所述高压极化供电单元的输出电压为500-550V；
所述低压极化供电单元的输出电压为120-160V；
所述高压推动供电单元的输出电压为780-850V；
所述低压推动供电单元的输出电压为100-150V。
9.根据权利要求8所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所述供电控制单元(F1)包括高压极化供电控制单元、低压极化供电控制单元、高压推动供电控制单元、低压推动供电控制单元；
所述高压极化供电单元经所述高压极化供电控制单元向所述极化线圈组中的极化线圈供高压电；
所述低压极化供电单元经所述低压极化供电控制单元向所述极化线圈组中的极化线圈供低压电；
所述高压推动供电单元经所述高压推动供电控制单元向所述推动线圈中的推动线圈供高压电；
所述低压推动供电单元经所述低压推动供电控制单元向所述推动线圈中的推动线圈供低压电。
10.根据权利要求9所述的空间内磁颗粒调控聚集系统，其特征在于：所述供电驱动单元(F2)的高压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间为5μs；
所述供电驱动单元(F2)的低压极化供电驱动端发出导通驱动信号的时间为600μs；
所述供电驱动单元(F2)的高压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间为40μs；
所述供电驱动单元(F2)的低压推动供电驱动端发出导通驱动信号的时间为60μs。
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