CN112823765A - 超声可视化纳米磁调控装置 - Google Patents

超声可视化纳米磁调控装置 Download PDF

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郑元义
胡兵
李跃华
蔡晓军
贾龙洋
王龙辰
唐秀珍
姚莉
赵永政
孟哲颖
谢雪
郝俊年
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Abstract

本发明提供了一种超声可视化纳米磁调控装置，所述装置包括控制计算机、功率放大器、水冷机、磁控线圈和三维超声探头，其中磁控线圈包括极化线圈和驱动梯度线圈。本发明的磁调控装置整合了三维实时超声技术，利用三维超声探头可以提供磁性纳米粒子精确的运动状态，实从而可以现对体内、体外样品的实时监测和引导。同时，三维超声技术可以让操作者更容易理解组织结构或病变的相对位置，及其与周围结构的关系。此外，本发明的磁调控装置超声图像分辨力高，可观测微小磁性纳米粒子的运动，有益于磁调控临床应用的推广。

Description

超声可视化纳米磁调控装置
技术领域
本发明涉及一种超声实时引导下磁性纳米材料的控制装置，属于磁性材料的控制领域。
背景技术
磁性颗粒尤其是磁性纳米粒子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。磁性纳米粒子具有磁导向性，因而在磁场环境下具有靶向性。在外加磁场的作用下，磁性纳米粒子可以定向移动，方便定位和靶向目标区域。
磁性纳米粒子携带药物后，在磁调控的作用下，能够很好的聚集于靶向位置，从而有助于当前一些重大疾病的治疗，并实现重大的技术突破，如肿瘤疾病的治疗。如何控制携带药物的磁性纳米粒子准确的到达病灶处，并释放药物是磁调控技术的关键。无论是在体内还是在体外，磁性纳米粒子的运动状态非常复杂，对其进行实时的监控是非常必要的。此外，如果携带药物的磁性纳米粒子通过血液循环在除了目标部位之外的正常组织中，并且扩散，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。现有的磁调控技术无法做到对磁性纳米粒子运动的实时监控和引导，从而影响定位的精确性，因此需要一种简单可行的实时监测和引导磁性纳米粒子的装置。
现有磁调控设备主要利用高清摄像头、磁共振设备或小动物荧光活体成像仪进行引导，但这三种方法目前均有缺陷，不适用于临床的应用。利用高清摄像头进行引导，存在分辨力不够，且只能用于体外样品实验的问题。利用磁共振设备进行引导，由于磁调控线圈无法放在磁共振设备内，所以只能在调控结束后利用磁共振设备对样本进行扫查，无法做到实时引导，而且磁共振设备的价格昂贵。利用小动物荧光活体成像仪进行引导，需要将荧光剂吸附到磁性材料上，且要放置在暗室中，使得实验条件变得苛刻并且增加了实验的时间。
中国专利CN110180076A公开了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，该系统只能够高度可控地实现磁颗粒的聚集，但是无法实现实时监测和引导磁性纳米粒子的运动。本发明提供一种超声可视化的纳米磁调控装置，可以实现实时监测和引导磁性纳米粒子的运动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供了一种利用三维超声技术实时监测和引导磁性纳米粒子的运动，并且高度可控的磁调控装置。
本发明的磁调控装置包括控制计算机(1)、功率放大器(2)、水冷机(3)、磁控线圈(4)和三维超声探头(5)。
所述磁控线圈(4)包括极化线圈(401)和驱动梯度线圈(402)，所述驱动梯度线圈(402)分布在所述极化线圈(401)的内部。
优选地，所述磁控线圈(4)包括三组正交的极化线圈(401)和驱动梯度线圈(402)，所述极化线圈(401)为正方形，所述驱动梯度线圈(402)为圆筒形。运行时，三组极化线圈(401)通直流电，并产生静态背景磁场，三组驱动梯度线圈(402)可以在一定频率范围内运行，并产生梯度背景磁场。
优选地，所述极化线圈(401)最外层的线圈的尺寸为600mm×600mm。
优选地，所述驱动梯度线圈(402)的内孔直径为60mm。
优选地，所述极化线圈(401)的电流为0～20A，所述驱动梯度线圈(402)的电流为0～90A。
所述磁控线圈(4)与功率放大器(2)和控制计算机(1)相连接，用于产生背景磁场，其中心位置放置磁性物质，所述磁性物质可以沿着所述背景磁场的方向运动。
所述三维超声探头(5)与控制计算机(1)相连接，用于实时监测和引导磁性物质的运动。
所述控制计算机(1)上设置有人机交互界面，具有人机交互功能和显示功能，并且与功率放大器(2)、磁控线圈(4)和三维超声探头(5)相连接，用于提供控制算法，把运动函数转化为磁场波形信号输送给功率放大器(2)进行信号放大，并接收和反馈磁控线圈(4)产生的温度监控信号，以及显示三维超声探头(5)的超声图像。
所述功率放大器(2)与操作与控制计算机(1)和磁控线圈(4)相连接，用于放大所述控制计算机(1)产生的数字波形信号和磁控线圈(4)产生的温度监控信号。
所述水冷机(3)与功率放大器(2)和磁控线圈(4)相连，用于功率放大器(2)和磁控线圈(4)的冷却，将热量交换到室外，保障设备正常运行。
优选地，所述水冷机(3)的输出水流量为120～150L/min，输出水温度为20℃。
本发明的磁调控装置整合了三维实时超声技术，利用三维超声探头可以提供磁性纳米粒子精确的运动状态，从而可以实现对体内、体外样品的实时监测和引导。同时，三维超声技术可以让操作者更容易理解某些组织结构或病变的相对解刨位置，及其与周围结构的关系，便于临床应用的推广。此外，本发明的磁调控装置的超声图像分辨力较高，并且在磁场中，磁性纳米粒子是根据磁场的频率来振动，磁性纳米粒子在收缩运动过程中产生的超声波，可以由超声探头接收，从而可以进一步提高超声图像的分辨力。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的磁调控装置整合了三维实时超声技术，实现了对体内、体外样品的实时监测和引导；
(2)本发明的磁调控装置分辨力较高，可以观测到微小磁性纳米粒子的运动，有益于磁调控装置临床应用的推广。
上述说明仅仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明较佳的实施例，并配合附图进行详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明磁调控装置的原理框图；
图2本发明磁调控装置的系统图；
图3本发明磁调控装置的磁控线圈示意图。
其中，1-控制计算机，2-功率放大器，3-水冷机，4-磁控线圈，401-极化线圈，402-驱动梯度线圈，5-三维超声探头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-3和具体的实施例对本发明进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图1-3所示，本实施中的超声可视化纳米磁调控装置包括控制计算机(1)、功率放大器(2)、水冷机(3)、磁控线圈(4)和三维超声探头(5)。所述磁控线圈(4)包括正方形的极化线圈(401)和圆筒形的驱动梯度线圈(402)，所述驱动梯度线圈(402)分布在所述极化线圈(401)的内部。
所述极化线圈(401)最外层的线圈的尺寸为600mm×600mm，所述驱动梯度线圈(402)的内孔直径为60mm。运行时，三组极化线圈(401)的电流大小为20A，并产生静态背景磁场，三组驱动梯度线圈(402)的电流大小为90A，可以在一定频率范围内运行，并产生梯度背景磁场。
所述三维超声探头(5)与控制计算机(1)相连接，所述控制计算机(1)上设置有人机交互界面，超声图像可以显示在人机交互界面上，用于实时监测和引导磁性物质的运动。
所述水冷机(3)与功率放大器(2)和磁控线圈(4)相连，用于功率放大器(2)和磁控线圈(4)的冷却，将热量交换到室外，保障设备正常运行，所述水冷机(3)的输出水流量为120～150L/min，输出水温度为20℃。
实施例2
本实施例中实验样品为透明的正方体模具，模具内放置有磁性纳米粒子溶液。将实验样品放置于磁控线圈(4)的中心位置，并将三维超声探头(5)对准实验样品；然后启动控制计算机(1)、功率放大器(2)和水冷机(3)，通过计算机(1)的人机交互界面控制磁性纳米粒子的运动，同时，利用三维超声探头(5)实时监测和引导磁性纳米粒子的运动，并将图像显示在控制计算机(1)的人机交互界面上。利用本发明的超声可视化纳米磁调控装置可以调控纳米粒子完成如下的指定运动：运动到指定位置；磁性纳米粒子的聚集和扩散；磁性纳米粒子形成长度和宽度一致的针形，并且完成水平、垂直方向的旋转、爬行运动。
实施例3
本实施例中实验样品为裸鼠，动物模型为动脉血栓静脉，对其注射载有药物的磁性纳米粒子溶液。将实验样品放置于磁控线圈(4)的中心位置，并将三维超声探头(5)对准实验样品；然后启动控制计算机(1)、功率放大器(2)、水冷机(3)，通过计算机(1)的人机交互界面控制磁性纳米粒的运动，同时，利用三维超声探头(5)实时监测和引导磁性纳米粒子的运动，并将图像显示在控制计算机(1)的人机交互界面上。通过调控外周磁场引导磁性纳米粒子将药物靶向运送到疾病部位，在局部形成较高的药物治疗浓度，同时减少药物在血循环其他部位的分布。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应当视为本发明的保护范围。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，包括控制计算机(1)、功率放大器(2)、水冷机(3)、磁控线圈(4)和三维超声探头(5)，其中磁控线圈(4)包括极化线圈(401)和驱动梯度线圈(402)；
所述控制计算机(1)与功率放大器(2)、磁控线圈(4)和三维超声探头(5)相连接，用于提供控制算法，把运动函数转化为磁场波形信号输送给功率放大器(2)进行信号放大，并接收和反馈磁控线圈(4)产生的温度监控信号，以及显示三维超声探头(5)的超声图像；
所述功率放大器(2)与控制计算机(1)和磁控线圈(4)相连接，用于放大控制计算机(1)产生的数字波形信号和磁控线圈(4)产生的温度监控信号；
所述水冷机(3)与功率放大器(2)和磁控线圈(4)相连，用于功率放大器(2)和磁控线圈(4)的冷却，将热量交换到室外，保障设备正常运行；
所述磁控线圈(4)与功率放大器(2)和控制计算机(1)相连接，用于产生背景磁场，其中心位置放置磁性物质，所述磁性物质可以沿着所述背景磁场的方向运动；
所述三维超声探头(5)与控制计算机(1)相连接，用于实时监测和引导磁性物质的运动。
2.根据权利要求1所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述控制计算机(1)上设置有人机交互界面，具有人机交互功能和显示功能。
3.根据权利要求1所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述磁控线圈(4)包括三组正交化的极化线圈(401)和驱动梯度线圈(402)，所述驱动梯度线圈(402)分布在所述极化线圈(401)的内部。
4.根据权利要求3所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述极化线圈(401)为正方形，用于产生静态背景磁场。
5.根据权利要求4所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述极化线圈(401)最外层的线圈的尺寸为600mm×600mm。
6.根据权利要求3所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述驱动梯度线圈(402)为圆筒形，用于产生梯度背景磁场。
7.根据权利要6所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述驱动梯度线圈(402)的内孔直径为60mm。
8.根据权利要1或3所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述极化线圈(401)的电流为0～20A，所述驱动梯度线圈(402)的电流为0～90A。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6和7任一项所述的超声可视化纳米磁调控装置，其特征在于，所述水冷机(3)的输出水流量为120～150L/min，输出水温度为20℃。
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