CN203694410U - 恒温靶向纳米磁热疗医学实验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于医疗器件技术领域，具体为一种恒温靶向纳米磁热疗医学实验系统。本系统以感应加热电源驱动线圈的AC磁场诱导和瘤内纳米磁流体磁感应热疗为基础，引入以实验动物肿瘤靶区温度上下阈反馈控制的磁场切换系统，当肿瘤靶区温度达到热疗温区上阈时，将实验动物移出AC磁场，靶区温度降至热疗温区下阈时，再将实验动物移回AC磁场，由此保持靶区磁热疗稳定在最佳温区；在移出AC磁场的降温间隔，实验动物移入永磁体磁极的DC磁场，诱导瘤内预先注射并栓塞滞留的Fe3O4微球磁化，利用其感生梯度磁场对纳米磁流体实施原位磁聚集，延长磁流体的蓄积时间，增强磁热疗的物理靶向性。实现一种兼具恒温控制和物理靶向功能的纳米磁热疗实验系统。
Description
技术领域
本实用新型属于医学实验技术领域，具体涉及一种恒温靶向纳米磁热疗医学实验系统。
背景技术
肿瘤热疗是根据肿瘤细胞热耐受差的特点，将肿瘤组织加温至42~45℃以杀灭肿瘤细胞、破坏肿瘤组织但不损伤正常细胞，同时激发机体免疫、抑制肿瘤转移，并可增强放/化疗疗效。靶区温度场的恒温可控性是肿瘤局部热疗的核心要求之一。以中频磁场诱导瘤内纳米磁介质损耗升温的磁介导热疗是肿瘤局部热疗的研究热点，但目前实验技术有明显缺陷：瘤内分布的纳米磁介质（磁流体）虽然可以改善热疗温度场均匀性，但静脉注射方法很难在肿瘤靶区达到局部热疗所需的聚集浓度，瘤内直接注射则因靶区血流耗散而导致其磁热效应很快衰减，无法维持恒温可控的治疗过程，影响了实验结果的精确性。因此，提高肿瘤靶区纳米磁介质的蓄积浓度、延长蓄积时间并实现恒温可控的治疗过程，是改进肿瘤纳米磁热疗实验技术的重要方向，也是肿瘤纳米磁热疗临床设备研发的核心技术要求。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种用于小型荷瘤动物试验的恒温靶向纳米磁热疗实验系统。该系统在磁感应加温单一设备基础上引入恒温控制和原位磁聚集两个功能模块，可有效延长纳米磁热疗介质在肿瘤靶区的蓄积时间，同时实现主动控制的恒温磁热疗过程。
本实用新型所提供的恒温靶向纳米磁热疗实验系统，其结构如图1所示，包括钕铁硼永磁体1、环形水平转动托架2、屏蔽隔板3、交变磁场线圈4、感应加热电源5、光纤测温传感器7、测温系统8、托架反馈控制系统9和箱体；其中：
所述箱体为长方体，钕铁硼永磁体1和交变磁场线圈4分别设置于箱体内部两侧，钕铁硼永磁体1和交变磁场线圈4中间由屏蔽隔板3分隔，于是屏蔽隔板3将箱体内腔分割为互不影响的AC磁场（即交变磁场）和DC磁场（即静磁场）工作区；
所述钕铁硼永磁体1为C型磁体；环形水平转动托架2为圆环形，环形水平转动托架2上设置有若干个可放置动物实验体的支撑架，环形水平转动托架2一侧穿过钕铁硼永磁体1的C型缺口，另一侧穿过交变磁场线圈4。
所述测温系统8和托架反馈控制系统9设置于箱体内，测温系统8通过光纤测温传感器7同放置于支撑架上的实验体连接，用于测量实验动物体内肿瘤靶区的温度；反馈控制系统9通过控制线10与环形水平转动托架2联系，用于控制环形水平转动托架2的转动。
所述感应加热电源5设置于箱体外；其上设置有感应加热电源水冷出入口6和感应加热设备电源线11。
本实用新型提出的恒温靶向纳米磁热疗实验系统，可以分为三个功能模块：
（1）磁热疗模块：即交变磁场线圈4，采用合适匝数与口径的励磁线圈在中频感应加热电源驱动下产生100~300kHz，50~150Gs中频交变磁场，用于诱导实验动物（即荷瘤动物）瘤内注射的纳米磁流体磁化损耗的产热升温；
（2）磁聚集模块：即钕铁硼永磁体1和磁性微球辅助介质，钕铁硼永磁体1用于产生静磁场。钕铁硼永磁体1为双轭永磁铁，在0~5cm可调气隙间可产生0.5~1T的静磁场。所述磁性微球辅助介质是粒径为1~10μm的Fe3O4微球，实验前，磁性微球通过注射导入肿瘤并经过肿瘤毛细血管内的栓塞机制滞留于肿瘤靶区，实验中，由静磁场诱导其饱和磁化产生局域梯度场，对磁流体纳米颗粒具有显著的原位磁聚集能力；
（3）恒温控制模块：包括所述测温系统8和托架反馈控制系统9。所述温度测量系统8采用光纤测温传感器7测量荷瘤动物肿瘤靶区温度，其测温系统可预设温度阈值并提供相应的反馈信号，用于控制托架反馈控制系统9；托架反馈控制系统9用于控制AC-DC磁场切换，具体是通过控制环形水平转动托架2的转动（主要由电机传动），使托架2上的荷瘤动物在AC-DC磁场间转移。
测温系统设置42℃下阈和45℃上阈，并提供相应反馈信号控制托架2转动。AC磁场下肿瘤靶区磁流体感应加温到45℃时，测温系统反馈控制托架2转动，将荷瘤动物移至永磁体DC磁场区域，实施DC磁场诱导Fe3O4微球磁化的纳米磁聚集；当靶区温度从45℃降至42℃时，测温系统反馈控制托架3将荷瘤动物移回AC磁场重新实施纳米磁热疗。这种温度反馈控制的磁场切换可将肿瘤靶区的热疗温度在更长时间内稳定控制在42~45℃范围，而降温间隔实施DC磁场诱导的纳米磁聚集则可有效延长肿瘤靶区纳米磁流体的蓄积时间，减少血流冲击下的自由耗散。
本实用新型中，所述交变磁场采用铜质空心水冷线圈，在中频感应加热电源驱动下，其中心可产生100~300kHz，50~150Gs的AC磁场，线圈口径5cm，适于小型荷瘤动物实验。磁热疗介质为生物安全的医用Fe3O4纳米磁流体，经瘤内注射导入肿瘤靶区，利用其在AC磁场下的磁化损耗产热对荷瘤动物实施肿瘤局部磁热疗。
本实用新型中，所述DC磁场采用钕铁硼双轭型永磁体磁极，圆柱极头直径10cm，可调气隙0~5cm，适于小型荷瘤实验动物实验，气隙中心可产生0.5~1T的静态磁场。
本实用新型中，所述Fe3O4磁性微球，采用生物相容性修饰，粒径1~10μm，实验前注射导入到瘤内，借助毛细血管栓塞机制使其多数滞留于肿瘤靶区，作为DC磁场诱导纳米磁聚集的感生磁场源。肿瘤靶区的Fe3O4微球注射量可根据实验模式选择不同用量，用于DC磁化诱导纳米磁聚集时用量可以较少；如果用量较大，除DC磁化诱导的纳米磁聚集效应外, 微球自身在AC磁场下的感应升温对纳米磁热疗也有贡献，体现为肿瘤血管微球栓塞磁热疗和纳米磁热疗的联合模式。
本实用新型中，所述环形水平转动托架为实验动物托架，采用电机传动，托架直径50cm，宽3cm，左右两侧分别穿过永磁体磁极的DC磁场和感应线圈的AC磁场区域，可将荷瘤动物在DC磁场和AC磁场之间自由转移。托架及其传动机构部件均采用无磁性的特氟龙材料。
本实用新型采用坡莫合金磁屏蔽外壳，长×宽×高=1.5m×1m×1m，永磁体磁极和感应加热线圈分置于设备箱体两端，坡莫合金隔板将内腔分割为互不影响的AC磁场和DC磁场工作区。设备外壳和磁室隔板的尺寸均依据AC磁场和DC磁场的有效分布区域确定，在保证其磁屏蔽功能的同时尽量降低DC磁场磁化和AC磁场感应发热的影响。设备外壳与磁室隔板表面设计散热片外形及通风孔，辅以测温仪表反馈控制的风扇自动排风，散发AC磁场可能导致的设备箱体和内部空气升温，使设备内部的实验环境温度保持恒定。感应加热电源及其AC磁场线圈则通过外接的水冷系统独立冷却。
本实用新型在感应加热电源驱动线圈的AC磁场发生设备和实验动物瘤内注射的纳米磁流体热疗介质基础上，引入靶区实时测温系统并以肿瘤热疗温区的上下限作为反馈阈值控制磁场切换 (热疗温区按42~45℃或实验要求设定)。实验肿瘤靶区温度达到热疗温区上阈时，磁场切换系统将荷瘤动物移出AC磁场，当肿瘤靶区温度下降至热疗温区下阈时，荷瘤动物重新移入AC磁场，从而使肿瘤磁热疗实验的靶区温度控制在最佳温区。
荷瘤动物从AC磁场中移出后，在肿瘤靶区温度从热疗温区上阈(45℃)降至热疗温区下阈(42℃)的时间间隔内，磁场切换系统将其直接移入>0.5T的均匀DC磁场， DC磁场诱导瘤内预先注入的Fe3O4微米磁珠饱和磁化，利用其感生梯度磁场对瘤内纳米磁流体实施原位磁聚集，维持并延长靶区磁流体热疗介质的蓄积时间。当靶区温度回落至热疗温区下阈(42℃)时，磁场切换系统将荷瘤动物重新移入AC磁场，继续实施纳米磁热疗过程。
本实用新型在DC磁场实施的纳米磁聚集采用原位感生梯度场的聚集方法，实验前在动物肿瘤内注射粒径1~10μm的Fe3O4微球，并借助肿瘤毛细血管栓塞机制使其大部滞留于肿瘤靶区。荷瘤动物由磁场切换系统移入所述DC磁场后，DC磁场将诱导瘤内的Fe3O4微球饱和磁化产生局域感生磁场，通过这种局域感生梯度场对靶区纳米磁颗粒实施原位磁聚集，以维持并延长靶区纳米磁流体热疗介质的蓄积时间。
本实用新型中，靶区实时测温系统以肿瘤局部热疗温区上下限(42~45℃或实验要求设定)作为触发阈值，反馈控制磁场切换系统；以靶区升温速率在感应加热电源开启1分钟后低于特定量值作为靶区磁流体尚未注入或浓度耗尽的判断标准。肿瘤靶区升温速率低于该量值时，测温系统反馈控制关闭感应加热电源。如果是瘤内尚未注射磁流体，则注射后可启动感应加热电源；如果瘤内磁流体已耗尽，则根据需要结束实验，或补充注射磁流体后重启感应加热电源继续磁热疗实验过程，也可提高靶区磁流体的首次注射量以延长磁热疗单次实验的恒温持续时间。
本实用新型中，根据肿瘤靶区栓塞滞留的Fe3O4微球含量大小，可以实施两种不同的肿瘤局部磁热疗实验模式：1) Fe3O4微球辅助纳米磁聚集的可控恒温纳米磁热疗模式：靶区Fe3O4含量较低，在AC磁场下的感应产热对肿瘤磁热疗的贡献较小，主要用于DC磁场诱导的原位纳米磁聚集；2) 肿瘤血管Fe3O4微球栓塞与纳米磁流体联合的恒温磁热疗模式：肿瘤靶区毛细血管内Fe3O4微球的栓塞滞留量较高，在AC磁场下的感应产热对磁热疗效应有显著贡献，因此既作为毛细血管栓塞磁热疗介质与纳米磁流体在AC磁场下实施联合热疗；又作为感生梯度磁场源在DC磁场下对纳米磁流体实施原位磁聚集。
本实用新型的有益效果在于：基于瘤内注射磁流体并以交变磁场感应加热的磁热疗模式，引入以肿瘤靶区温度阈值反馈控制的AC-DC磁场切换系统，通过靶区温度反馈控制的AC-DC磁场切换，对荷瘤动物序贯施加AC磁场感应热疗和DC磁场诱导的靶区Fe3O4微球原位磁聚集，实现靶区温度阈值反馈控制的恒温磁热疗，同时延长靶区磁流体蓄积时间、增强纳米磁热疗的物理靶向性。相比AC磁场感应热疗单一模式下靶区温度的不可控性和瘤内注射磁流体后的自由耗散损失，本实用新型以靶区温度反馈控制的AC-DC磁场切换调控，为肿瘤纳米磁热疗的动物实验研究提供了更加精确可靠的实验条件。
附图说明
图1是本实用新型的总体结构及主要部件示意图。
图中标号：1. 钕铁硼永磁体磁极；2.实验动物环形托架；3. 坡莫合金磁屏蔽隔板；4. 交变磁场线圈；5. 感应加热电源；6. 感应加热电源水冷出入口；7. 光纤测温传感器；8.测温系统；9. 环形托架反馈控制系统；10.托架控制线路；11. 感应加热设备电源线；12. 荷瘤实验动物。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型是一种基于靶区温度反馈控制AC-DC磁场切换调控的肿瘤纳米磁热疗实验系统。采用感应加热电源5驱动线圈4，中心产生100~300kHz,50~150Gs的中频磁场，对瘤内注射纳米磁流体的实验动物12实施感应热疗；采用光纤测温传感器7和测温系统8实时测量肿瘤靶区温度。根据预设温度阈值(42~45℃)，当AC磁场下感应加热使得靶区温度达到45℃时，测温系统将反馈信号送至环形托架2的传动控制系统9，由控制线路10驱动环形托架水平转动，将实验动物从线圈4的AC磁场移出至钕铁硼磁极1的DC磁场，进入DC磁场诱导的原位纳米磁聚集模式，钕铁硼双轭磁极1提供0.5~1T的DC磁场可诱导预先导入并栓塞滞留于肿瘤靶区的粒径1~10μm的Fe3O4微球22饱和磁化，实施DC磁化诱导的感生梯度场纳米磁聚集。当靶区温度逐渐回落到42℃，测温系统8再次反馈信号至环形托架2的控制系统9，将实验动物从永磁磁极1的DC磁场区转移至线圈4的AC磁场区，重新进入AC磁场感应加温的磁热疗模式。
在上述靶区温度反馈控制AC-DC磁场切换的实验过程中，测温系统8将根据感应加热电源开机1分钟以后的靶区升温速率判断靶区磁流体的耗散状态，测得靶区升温速率低于特定值时，测温系统8给出停机指令关闭感应加热电源5。如果单次注射的磁流体剂量足以完成实验过程，则实验结束；如需进一步治疗，则瘤内补充注射磁流体后重复上述过程，直至完成实验要求。
在上述实验过程之前预先注入肿瘤靶区的Fe3O4微球因粒径较大(1~10μm)，易于栓塞滞留在肿瘤毛细血管，随血流的耗散远低于纳米磁流体颗粒。在DC磁场诱导的纳米磁聚集过程中，靶区Fe3O4微球饱和磁化作为感生梯度磁场源；再次进入AC磁场时则因感应升温而迅速退磁，因此AC磁场下的磁热疗过程中Fe3O4微球不具磁聚集能力，其感应产热的贡献则取决于肿瘤靶区的分布浓度。用于纳米磁聚集目的时，少量Fe3O4微球即可产生足够显著的磁聚集效应， Fe3O4微球在AC磁场下的感应升温不占主要贡献。根据实验需要，也可采用更高含量的Fe3O4微球实施肿瘤血管栓塞磁热疗+纳米磁热疗的混合治疗模式，而靶区温度反馈控制的AC-DC磁场切换调控模式与上述过程完全相同。
Claims (3)
1.一种恒温靶向纳米磁热疗医学实验系统，其特征在于包括钕铁硼永磁体（1）、环形水平转动托架（2）、屏蔽隔板（3）、交变磁场线圈（4）、感应加热电源（5）、光纤测温传感器（7）、测温系统（8）、托架反馈控制系统（9）和箱体；其中，
所述箱体为长方体，钕铁硼永磁体（1）和交变磁场线圈（4）分别设置于箱体内部两侧，钕铁硼永磁体（1）和交变磁场线圈（4）中间由屏蔽隔板（3）分隔，于是屏蔽隔板（3）将箱体内腔分割为互不影响的AC磁场即交变磁场和DC磁场即静磁场工作区；
所述钕铁硼永磁体（1）为C型磁体；环形水平转动托架（2）为圆环形，环形水平转动托架（2）上设置有若干个可放置动物实验体的支撑架，环形水平转动托架（2）一侧穿过钕铁硼永磁体（1）的C型缺口，另一侧穿过交变磁场线圈（4）；
所述测温系统（8）和托架反馈控制系统（9）设置于箱体内，测温系统（8）通过光纤测温传感器（7）同放置于支撑架上的动物实验体连接，用于测量实验动物体内肿瘤靶区的温度；反馈控制系统（9）通过控制线（10）与环形水平转动托架（2）联系，用于控制环形水平转动托架（2）的转动；
所述感应加热电源（5）设置于箱体外。
2.根据权利要求1所述的恒温靶向纳米磁热疗医学实验系统，其特征在于分为三个功能模块：
（1）磁热疗模块：即交变磁场线圈（4），采用合适匝数与口径的励磁线圈，在中频感应加热电源（5）驱动下产生100~300kHz，50~150Gs中频交变磁场，用于诱导实验动物即荷瘤动物瘤内注射的纳米磁流体磁化损耗的产热升温；
（2）磁聚集模块：即钕铁硼永磁体（1）和磁性微球辅助介质，钕铁硼永磁体（1）用于产生静磁场；钕铁硼永磁体（1）为双轭永磁铁，在0~5cm可调气隙间可产生0.5~1T的静磁场；所述磁性微球辅助介质是粒径为1~10μm的Fe3O4微球，实验前，磁性微球通过注射导入肿瘤并经过肿瘤毛细血管内的栓塞机制滞留于肿瘤靶区，实验中，由静磁场诱导其饱和磁化产生局域梯度场，对磁流体纳米颗粒具有显著的原位磁聚集能力；
（3）恒温控制模块：包括所述测温系统（8）和托架反馈控制系统（9）；所述温度测量系统（8）采用光纤测温传感器（7）测量荷瘤动物肿瘤靶区温度，其测温系统可预设温度阈值并提供相应的反馈信号，用于控制托架反馈控制系统（9）；托架反馈控制系统（9用于控制AC-DC磁场切换，具体是通过控制环形水平转动托架（2）的转动，使托架（2）上的荷瘤动物在AC-DC磁场间转移。
3.根据权利要求1所述的恒温靶向纳米磁热疗医学实验系统，其特征在于测温系统设置42℃下阈和45℃上阈，并提供相应反馈信号控制环形水平转动托架（2）转动。
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