WO2022169103A1 - 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치 - Google Patents

개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치 Download PDF

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WO2022169103A1
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coil unit
nanoparticles
magnetic particle
coil
particle imaging
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윤정원
안 르투안
푸 부이민
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광주과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to an open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus, and more particularly, to an open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus for targeted therapy.
  • Hyperthermia is a disease treatment method using the characteristic that cancer cells are weak to heat and die at a temperature of 42 degrees or higher.
  • hospitals use microwaves, infrared rays, ultrasonic waves, lasers, etc. as a means of generating heat, but in this case, the heat cannot penetrate deep into the body and it is difficult to locally heat only the diseased part because of the limitations that it can damage normal tissues. It is used only as an adjunct to drug treatment.
  • thermotherapy In order to overcome these shortcomings, a new concept of self-thermal therapy that combines nano science technology with the existing thermotherapy has been proposed, but research on it is insufficient.
  • the present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermotherapy apparatus.
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus for heating the nanoparticles in a target region based on FFP.
  • an open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus includes a selection coil unit for generating FFP (Field Free Point) for nanoparticles in a first direction; a focus coil unit generating a magnetic field to move the FFP in a second direction; and a heating coil unit configured to heat the nanoparticles in a target area based on the FFP for the second direction.
  • FFP Field Free Point
  • the selection coil unit may include a lower selection coil and an upper selection coil positioned on the lower selection coil, and the lower selection coil and the upper selection coil may be positioned with opposite magnetism.
  • the open-type magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus includes: a first excitation coil unit for oscillating the nanoparticles; and a receiver coil unit for detecting a signal for the nanoparticles. may further include.
  • the open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus may include: a second excitation coil unit generating an induced voltage having a polarity opposite to that of an induced voltage generated by the first excitation coil unit; and an attenuation coil unit configured in a winding direction opposite to a winding direction of the receiver coil unit.
  • the received signal of the receiver coil unit may be used to measure the temperature of the nanoparticles.
  • the open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus may further include a stage unit for adjusting a position of a target region corresponding to the nanoparticles.
  • the nanoparticles are heated in a first time interval, the temperature of the nanoparticles is measured in a second time interval, and a third time interval between the first time interval and the second time interval is an idle time ( relaxation time).
  • image feedback may be performed through a human body scale open magnetic particle imaging (MPI)-based magnetic particle temperature image measurement.
  • MPI human body scale open magnetic particle imaging
  • image-based feedback for targeting a cancer treatment site of magnetic nanoparticles and temperature feedback of nanoparticles may be performed.
  • FIGS. 1A to 1D are diagrams illustrating an open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermotherapy apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a magnetic particle imaging unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a heating and temperature measurement graph according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a selection coil unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating a focus coil unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a heating coil unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of thermal treatment according to an embodiment of the present invention.
  • 8A and 8B are diagrams illustrating signal detection for the presence or absence of nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view illustrating a receiver coil unit and an attenuation coil unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating an open magnetic particle imaging-based nanoparticle heating system according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1A to 1D are diagrams illustrating an open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermotherapy apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the nanoparticle thermal therapy apparatus 100 may include a magnetic particle imaging unit 110 and a stage unit 120 .
  • the magnetic particle imaging unit 110 can perform targeted hyperthermal treatment capable of high-efficiency heat while minimizing side effects with biocompatible magnetic nanoparticles.
  • the magnetic particle imaging unit 110 may perform image feedback by measuring a magnetic particle temperature image based on a human scale open magnetic particle imaging (MPI) for a user.
  • MPI human scale open magnetic particle imaging
  • the magnetic particle imaging unit 110 may perform image-based feedback for targeting the cancer treatment site of the magnetic nanoparticles and feedback on the temperature of the nanoparticles.
  • the magnetic particle imaging unit 110 is configured in an open type to exponentially reduce the risk of a user's claustrophobia and panic attack, and can accurately diagnose problems for users of all shapes and sizes.
  • the magnetic particle imaging unit 110 may be combined with other systems such as an operating system for controlling nanoparticles.
  • the magnetic particle imaging unit 110 may obtain a 3D MPI image at a low speed.
  • one may electronically indicate the FFP scan direction and the second may mechanically indicate the FFP scan direction.
  • it adds more excitation signal (low frequency 10 kHz-30 kHz) instead of using directly heating frequency (100 kHz-1 MHz), so it is better for channel received signal while measuring temperature. A small bandwidth may be required.
  • the stage unit 120 may adjust the position of the target region of the magnetic particle imaging unit 110 corresponding to the nanoparticles.
  • the stage unit 120 includes a fixing member for seating the user, and horizontally moving the fixing member in the horizontal direction (x-axis, y) to adjust the treatment position of the magnetic particle imaging unit 110 for the user. axis) can be moved.
  • stage unit 120 by adjusting the magnetic particle imaging unit 110 in the height direction (z-axis), it is possible to adjust the separation distance of the magnetic particle imaging unit 110 to the user.
  • FIGS. 1A to 1D in various embodiments of the present invention, in the open magnetic particle imaging-based nanoparticle thermal therapy apparatus 100, the components described in FIGS. 1A to 1D are not essential. It may be implemented with more or fewer configurations than configurations.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating the magnetic particle imaging unit 110 according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a view showing a heating and temperature measurement graph according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic particle imaging unit 110 may include a target heating coil unit 112 and a temperature measuring coil unit 114 .
  • the target heating coil unit 112 may perform thermal treatment by heating nanoparticles in a target region.
  • the temperature measuring coil unit 114 may adjust the heating temperature. For example, referring to FIG. 3 , nanoparticles are heated in a first time interval (focus heating), a temperature of the nanoparticles is measured in a second time interval (temperature measurement), and a first time interval and a second time interval are measured.
  • the third time interval between the intervals may include a relaxation time, and in this case, it is possible to suppress damage through mode switching or heating.
  • the target heating coil unit 112 may include a selection coil unit 201 , a focus coil unit 202 , and a heating coil unit 205 . .
  • the selection coil unit 201 may generate a Field Free Point (FFP) for the nanoparticles in the first direction.
  • FFP Field Free Point
  • the focus coil unit 202 may generate a magnetic field to move the FFP in the second direction.
  • the heating coil unit 205 may heat the nanoparticles in the target area based on the FFP for the second direction.
  • the temperature measuring coil unit 114 includes a first excitation coil unit 203 , a receiver coil unit 204 , a second excitation coil unit 206 and an attenuation coil unit ( cancellation coil) 207 .
  • the first excitation coil unit 203 may oscillate nanoparticles.
  • the receiver coil unit 204 may detect a signal for nanoparticles. In one embodiment, the received signal of the receiver coil unit 204 may be used to measure the temperature of the nanoparticles.
  • the second excitation coil unit 206 may generate an induced voltage having a polarity opposite to the induced voltage generated by the first excitation coil unit 203 .
  • the attenuation coil unit 207 may be configured in a winding direction opposite to the winding direction of the receiver coil unit 204 .
  • the selection coil unit 201 may include a lower selection coil 212 and an upper selection coil 211 positioned on the lower selection coil 212 .
  • the focus coil unit 202 may include a lower focus coil 222 and an upper focus coil 221 positioned on the lower focus coil 222 .
  • the first excitation coil unit 203 may include a first lower excitation coil 232 and a first upper excitation coil 231 positioned on the first lower excitation coil 232 .
  • the receiver coil unit 204 may include a lower receiver coil 242 and an upper receiver coil 241 positioned on the lower receiver coil 242 .
  • the heating coil unit 205 may include a lower heating coil 252 and an upper heating coil 251 positioned on the lower heating coil 252 .
  • the second excitation coil unit 206 may include a second lower excitation coil 262 and a second upper excitation coil 261 positioned on the second lower excitation coil 262 .
  • the attenuation coil unit 207 may include a lower attenuation coil 272 and an upper attenuation coil 271 positioned on the lower attenuation coil 272 .
  • the lower focus coil 222 is positioned on the lower selection coil 212
  • the first lower excitation coil 232 is positioned on the lower focus coil 222
  • the first lower excitation coil 232 is positioned on the first lower excitation coil 232 .
  • the lower receiver coil 242 may be positioned on the
  • the lower heating coil 252 may be positioned on the lower receiver coil 242
  • the lower heating coil 252 may be positioned on the lower receiver coil 242 .
  • the upper heating coil 251 is positioned on the lower heating coil 252
  • the upper receiver coil 241 is positioned on the upper heating coil 251
  • the first upper part is on the upper receiver coil 241 .
  • the excitation coil 231 may be positioned
  • the upper focus coil 221 may be positioned on the first upper excitation coil 231
  • the upper selection coil 211 may be positioned on the upper focus coil 221 .
  • a field of view may be formed between the lower heating coil 252 and the upper heating coil 251 .
  • nanoparticles corresponding to the user may be located inside the FOV.
  • the lower attenuation coil 272 is located on the second lower excitation coil 262
  • the upper attenuation coil 271 is located on the lower attenuation coil 272
  • the second attenuation coil 271 is located on the upper attenuation coil 271 .
  • Two upper excitation coils 261 may be located.
  • the second lower excitation coil 262 , the lower attenuation coil 272 , the upper attenuation coil 271 , and the second upper excitation coil 261 are the first lower excitation coil 232 and the lower receiver coil 242 .
  • the upper receiver coil 241 and the first upper excitation coil 231 may be located on the side, and the height may be adjusted in the height direction (z-axis).
  • the magnetic particle imaging unit 110 is not essential to the configurations described in FIGS. 2A and 2B, so more configurations than those described in FIGS. 2A and 2B are provided. It can be implemented with or with fewer configurations.
  • FIG. 4 is a view showing a selection coil unit 201 according to an embodiment of the present invention.
  • the selection coil unit 201 may be configured as a permanent magnet for generating an FFP at the center.
  • the lower selection coil 212 and the upper selection coil 211 of the selection coil unit 201 may be positioned with opposite magnetism.
  • FIG 5 is a view illustrating a focus coil unit 202 according to an embodiment of the present invention.
  • the focus coil unit 202 may generate a uniform magnetic field to move the FFP along the z-axis of the target area.
  • the focus coil unit 202 may include a Helmholz configuration.
  • FIG. 6 is a view showing a heating coil unit 205 according to an embodiment of the present invention.
  • 7 is a diagram illustrating an example of thermal treatment according to an embodiment of the present invention.
  • the heating coil unit 205 may heat nanoparticles for thermal treatment.
  • the heating coil unit 205 may use a water cooling method.
  • the heating coil unit 205 may be configured as a spiral coil to generate a uniform heating field in the target area.
  • the target area may be matched with the FFP by mechanically moving the fixing member of the stage on which the user is seated.
  • the fixing member may move in a two-dimensional plane of an x-axis and a t-axis through a rail configuration.
  • 8A and 8B are diagrams illustrating signal detection for the presence or absence of nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
  • a winding direction of the receiver coil unit 204 and a winding direction of the attenuation coil unit 207 may be opposite to each other.
  • the receiver coil unit 204 and the attenuation coil unit 207 may be used to measure the temperature of the nanoparticles (MNP).
  • the receiver signal of the receiver coil unit 204 may be expressed as in Equation 1 below.
  • u(t) is the receiver signal
  • u E (t) is the induced voltage generated by the first excitation coil unit 203
  • u C (t) is the induced voltage generated by the attenuation coil unit 207
  • uP (t) represents the signal for the nanoparticles.
  • the induced voltage generated by the first excitation coil unit 203 and the induced voltage generated by the attenuation coil unit 207 may be expressed by Equation 2 below.
  • the first excitation coil unit 203 may include a Helmholz configuration, and the first excitation coil unit 203 may have the same shape as the second excitation coil unit 206 .
  • third and fifth harmonics can be obtained for use in temperature measurements.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a receiver coil unit 204 and an attenuation coil unit 207 according to an embodiment of the present invention.
  • the receiver coil unit 204 and the attenuation coil unit 207 may have the same structure, and in this case, the winding directions may be opposite to each other.
  • the receiver coil unit 204 and the attenuation coil unit 207 may be configured as a spiral coil.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating an open magnetic particle imaging-based nanoparticle heating system 1000 according to an embodiment of the present invention.
  • the nanoparticle thermal treatment system 1000 may include a nanoparticle thermal treatment apparatus 1010 and an external electronic device 1020 .
  • the external electronic device 1020 may include various terminal devices such as a PC, a notebook computer, a tablet PC, and a smart phone.
  • the nanoparticle thermal therapy apparatus 1010 may include the nanoparticle thermal therapy apparatus 100 of FIGS. 1A to 1D , a communication unit (not shown), and a controller (not shown).
  • the communication unit may transmit the magnetic particle image to the external electronic device 1020 so that the magnetic particle image is displayed by the external electronic device 1020 .
  • the communication unit may include at least one of a wired communication module and a wireless communication module. All or part of the communication unit may be referred to as a 'transmitter', 'receiver' or 'transceiver'.
  • the controller may measure the temperature of the nanoparticles. In addition, the controller may control the stage unit of the nanoparticle thermal therapy apparatus 100 to adjust the position of the user and the position of the coil.
  • control unit may include at least one processor or microprocessor, or may be a part of the processor.
  • controller may be referred to as a communication processor (CP).
  • the controller may control the operation of the nanoparticle heating system 1000 according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIGS. 10A and 10B in various embodiments of the present invention, in the open magnetic particle imaging-based nanoparticle heating system 1000, the components described in FIGS. 10A and 10B are not essential, so the configuration described in FIGS. 10A and 10B It may be implemented with more or fewer configurations.
  • At least one step may be omitted or added in each figure described herein, may be performed in the reverse order, or may be performed simultaneously.

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Abstract

본 발명은 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치는, 나노입자에 대한 FFP(Field Free Point)를 제1 방향으로 발생시키는 셀렉션 코일부; 자기장을 생성하여 상기 FFP를 제2 방향으로 이동시키는 포커스 코일부; 및 상기 제2 방향에 대한 FFP에 기반하여 타겟 영역의 상기 나노입자를 가열(heat)시키는 히팅 코일부;를 포함할 수 있다.

Description

개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치
본 발명은 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표적치료를 위한 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치에 관한 것이다.
온열치료는 암세포가 열에 약하여 42도(degree) 이상의 온도 에서 사멸하는 특성을 이용한 질병치료 방법임. 현재 병원에서는 열을 발생시키는 수단으로서 마이크로파, 적외선, 초음파, 레이저 등을 이용하고 있지만 이러한 경우 열이 몸속 깊숙이 침투할 수 없다는 점과 질병 부위만 국부적 가열이 어려워 정상조직까지 손상을 줄 수 있다는 한계점 때문에 약물치료의 보조적 수단 정도로만 활용되고 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해서 기존의 온열치료 방식에 최근 나노과학기술을 접목한 새로운 개념의 자기 온열치료가 제시되고 있으나, 이에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 FFP에 기반하여 타겟 영역의 상기 나노입자를 가열(heat)시키기 위한 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치는, 나노입자에 대한 FFP(Field Free Point)를 제1 방향으로 발생시키는 셀렉션 코일부; 자기장을 생성하여 상기 FFP를 제2 방향으로 이동시키는 포커스 코일부; 및 상기 제2 방향에 대한 FFP에 기반하여 타겟 영역의 상기 나노입자를 가열(heat)시키는 히팅 코일부;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 셀렉션 코일부는, 하부 셀렉션 코일 및 상기 하부 셀렉션 코일 상에 위치하는 상부 셀렉션 코일을 포함하고, 상기 하부 셀렉션 코일과 상기 상부 셀렉션 코일은 서로 반대되는 자성으로 위치할 수 있다.
실시예에서, 상기 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치는, 상기 나노입자를 오실레이팅하기 위한 제1 여기 코일부; 및 상기 나노입자에 대한 신호를 검출하기 위한 수신기 코일부; 를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치는, 상기 제1 여기 코일부에 의해 발생되는 유도 전압과 반대 극성의 유도 전압을 발생시키는 제2 여기 코일부; 및 상기 수신기 코일부의 권선 방향(winding direction)과 반대인 권선 방향으로 구성되는 감쇄 코일부;를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 수신기 코일부의 수신 신호는, 상기 나노입자의 온도를 측정하기 위해 이용될 수 있다.
실시예에서, 상기 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치는, 상기 나노입자에 대응하는 타겟 영역의 위치를 조절하기 위한 스테이지부;를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 제1 시간 구간에서 상기 나노입자는 가열되고, 제2 시간 구간에서 상기 나노입자의 온도가 측정되며, 상기 제1 시간 구간과 제2 시간 구간 사이의 제3 시간 구간은 유휴 시간(relaxation time)을 포함할 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 생체 적합한 자기 나노입자로 부작용을 최소화하면서 고효율 발열이 가능한 표적 온열치료를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 사용자에 대한 인체 스케일 개방형 MPI(magnetic particle imaging) 기반 자기입자 온도 영상 측정을 통해 영상 피드백을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 자기 나노입자의 암치료 부위 표적화 및 나노입자의 온도 피드백을 위한 영상 기반 피드백을 수행할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치를 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기입자 영상부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 및 온도 측정 그래프를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀렉션 코일부를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포커스 코일부를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 코일부를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온열 치료의 예를 도시한 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 유무에 대한 신호 검출을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기 코일부 및 감쇄 코일부를 도시한 도면이다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치를 설명한다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치(100)를 도시한 도면이다.
도 1a 내지 1d를 참고하면, 나노입자 온열치료 장치(100)는 자기입자 영상부(110) 및 스테이지부(120)를 포함할 수 있다.
자기입자 영상부(110)는, 생체 적합한 자기 나노입자로 부작용을 최소화하면서 고효율 발열이 가능한 표적 온열치료를 수행할 수 있다.
또한, 자기입자 영상부(110)는 사용자에 대한 인체 스케일 개방형 MPI(magnetic particle imaging) 기반 자기입자 온도 영상 측정을 통해 영상 피드백을 수행할 수 있다.
예를 들어, 자기입자 영상부(110)는 자기 나노입자의 암치료 부위 표적화 및 나노입자의 온도 피드백을 위한 영상 기반 피드백을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 자기입자 영상부(110)는 개방형으로 구성되어 사용자의 밀실 공포증 및 공황 발작의 위험을 기하급수적으로 감소시키고 모든 형태와 크기의 사용자에 대한 문제를 정확하게 진단할 수 있다.
또한, 자기입자 영상부(110)는 나노입자를 제어하는 작동 시스템과 같은 다른 시스템과 결합할 수 있다.
또한, 자기입자 영상부(110)는 저속으로 3D MPI 이미지를 얻을 수 있다. 예를 들어, 하나는 전자적으로 FFP 스캔 방향이고, 두 번째는 기계적으로 FFP 스캔 방향을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 직접 가열 주파수(directly heating frequency)(100kHz-1MHz)를 사용하는 대신 여기 신호(excitation signal)(낮은 주파수 10kHz-30kHz)를 추가하기 때문에 온도를 측정하는 동안 채널 수신 신호에 대해 더 작은 대역폭이 필요할 수 있다.
스테이지부(120)는 나노입자에 대응하는 자기입자 영상부(110)의 타겟 영역의 위치를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 스테이지부(120)는, 사용자를 안착시키기 위한 고정 부재를 포함하고, 사용자에 대한 자기입자 영상부(110)의 치료 위치를 조절하기 위해 고정 부재를 수평 방향(x축, y축)으로 이동시킬 수 있다.
또한, 스테이지부(120)는, 자기입자 영상부(110)를 높이 방향(z축)으로 조절하여, 자기입자 영상부(110)의 사용자에 대한 이격 거리를 조절할 수 있다.
도 1a 내지 1d를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시 예들에서 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치(100)는 도 1a 내지 1d에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 1a 내지 1d에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기입자 영상부(110)를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 및 온도 측정 그래프를 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b를 참고하면, 자기입자 영상부(110)는 표적 발열 코일부(112)와 온도 측정 코일부(114)를 포함할 수 있다.
표적 발열 코일부(112)는 타겟 영역의 나노입자를 가열하여 온열 치료를 수행할 수 있다. 온도 측정 코일부(114)는 가열되는 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참고하면, 제1 시간 구간(focus heating)에서 나노입자는 가열되고, 제2 시간 구간(temperature measurement)에서 나노입자의 온도가 측정되며, 제1 시간 구간과 제2 시간 구간 사이의 제3 시간 구간은 유휴 시간(relaxation time)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 모드 전환 또는 히팅을 통한 데미지를 억제할 수 있다.
일 실시예에서, 표적 발열 코일부(112)는 셀렉션 코일부(selection coil)(201), 포커스 코일부(focus coil)(202) 및 히팅 코일부(heating coil)(205)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 셀렉션 코일부(201)는 나노입자에 대한 FFP(Field Free Point)를 제1 방향으로 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 포커스 코일부(202)는 자기장을 생성하여 FFP를 제2 방향으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 히팅 코일부(205)는 제2 방향에 대한 FFP에 기반하여 타겟 영역의 나노입자를 가열시킬 수 있다.
일 실시예에서, 온도 측정 코일부(114)는 제1 여기 코일부(excitation coil)(203), 수신기 코일부(receiver coil)(204), 제2 여기 코일부(206) 및 감쇄 코일부(cancellation coil)(207)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 여기 코일부(203)는 나노입자를 오실레이팅할 수 있다.
일 실시예에서, 수신기 코일부(204)는 나노입자에 대한 신호를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 수신기 코일부(204)의 수신 신호는 나노입자의 온도를 측정하기 위해 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 여기 코일부(206)는 제1 여기 코일부(203)에 의해 발생되는 유도 전압과 반대 극성의 유도 전압을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 감쇄 코일부(207)는 수신기 코일부(204)의 권선 방향(winding direction)과 반대인 권선 방향으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 셀렉션 코일부(201)는 하부 셀렉션 코일(212) 및 하부 셀렉션 코일(212) 상에 위치하는 상부 셀렉션 코일(211)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 포커스 코일부(202)는 하부 포커스 코일(222) 및 하부 포커스 코일(222) 상에 위치하는 상부 포커스 코일(221)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 여기 코일부(203)는 제1 하부 여기 코일(232) 및 제1 하부 여기 코일(232) 상에 위치하는 제1 상부 여기 코일(231)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 수신기 코일부(204)는 하부 수신기 코일(242) 및 하부 수신기 코일(242) 상에 위치하는 상부 수신기 코일(241)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 히팅 코일부(205)는 하부 히팅 코일(252) 및 하부 히팅 코일(252) 상에 위치하는 상부 히팅 코일(251)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 여기 코일부(206)는 제2 하부 여기 코일(262) 및 제2 하부 여기 코일(262) 상에 위치하는 제2 상부 여기 코일(261)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 감쇄 코일부(207)는 하부 감쇄 코일(272) 및 하부 감쇄 코일(272) 상에 위치하는 상부 감쇄 코일(271)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 하부 셀렉션 코일(212) 상에 하부 포커스 코일(222)이 위치하고, 하부 포커스 코일(222) 상에 제1 하부 여기 코일(232)이 위치하고, 제1 하부 여기 코일(232) 상에 하부 수신기 코일(242)이 위치하고, 하부 수신기 코일(242) 상에 하부 히팅 코일(252)이 위치하고, 하부 히팅 코일(252)이 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 하부 히팅 코일(252) 상에 상부 히팅 코일(251)이 위치하고, 상부 히팅 코일(251) 상에 상부 수신기 코일(241)이 위치하고, 상부 수신기 코일(241) 상에 제1 상부 여기 코일(231)이 위치하고, 제1 상부 여기 코일(231) 상에 상부 포커스 코일(221)이 위치하고, 상부 포커스 코일(221) 상에 상부 셀렉션 코일(211)이 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 하부 히팅 코일(252)과 상부 히팅 코일(251) 사이에 FOV(Field Of View)가 형성될 수 있다. 이 경우, FOV 내부에 사용자에 대응하는 나노입자가 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 하부 여기 코일(262) 상에 하부 감쇄 코일(272)이 위치하고, 하부 감쇄 코일(272) 상에 상부 감쇄 코일(271)이 위치하고, 상부 감쇄 코일(271) 상에 제2 상부 여기 코일(261)이 위치할 수 있다.
이 경우, 제2 하부 여기 코일(262), 하부 감쇄 코일(272), 상부 감쇄 코일(271) 및 제2 상부 여기 코일(261)은 제1 하부 여기 코일(232), 하부 수신기 코일(242), 상부 수신기 코일(241) 및 제1 상부 여기 코일(231) 측면에 위치할 수 있으며, 높이 방향(z축)으로 높낮이가 조절될 수 있다.
도 2a 및 2b를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시 예들에서 자기입자 영상부(110)는 도 2a 및 2b에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 2a 및 2b에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀렉션 코일부(201)를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 셀렉션 코일부(201)는 중심(center)에 FFP를 생성하기 위한 영구 자석(permanent megnet)으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 셀렉션 코일부(201)의 하부 셀렉션 코일(212)과 상부 셀렉션 코일(211)은 서로 반대되는 자성으로 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포커스 코일부(202)를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 포커스 코일부(202)는 타겟 영역의 z 축으로 FFP를 이동시키기 위하여 균일한 자기장을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 포커스 코일부(202)는 헬름 홀츠(Helmholz) 구성을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 코일부(205)를 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온열 치료의 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 히팅 코일부(205)는 온열 치료를 위해 나노입자를 가열할 수 있다. 예를 들어, 히팅 코일부(205)는 수냉식(water cooling) 방식을 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 히팅 코일부(205)는 타겟 영역에 균일한 히팅 필드(heat field)를 생성하기 위해 나선형 코일(spiral coil)로 구성될 수 있다.
이 경우, 히팅 필드 주파수는 100kHz-1Mhz, f*H <=5x109 A/m/s를 포함할 수 있다.
도 7을 참고하면, 타겟 영역은 사용자가 안착된 스테이지부의 고정 부재를 기계적으로 이동시켜 FFP와 매칭될 수 있다. 예를 들어, 고정 부재는 레일(rail) 구성을 통해 x축과 t축의 2차원 평면으로 이동할 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 유무에 대한 신호 검출을 도시한 도면이다.
도 8a 및 8b를 참고하면, 수신기 코일부(204)의 권선 방향(winding direction)과 감쇄 코일부(207)의 권선 방향은 반대일 수 있다. 이 경우, 수신기 코일부(204)와 감쇄 코일부(207)는 나노입자(MNP)의 온도를 측정하기 위해 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 수신기 코일부(204)의 수신기 신호는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021019961-appb-img-000001
여기서, u(t)는 수신기 신호, uE(t)는 제1 여기 코일부(203)에 의해 생성된 유도 전압, uC(t)는 감쇄 코일부(207)에 의해 생성된 유도 전압, uP(t)는 나노 입자에 대한 신호를 나타낸다.
일 실시예에서, 제1 여기 코일부(203)에 의해 생성된 유도 전압과 감쇄 코일부(207)에 의해 생성된 유도 전압은 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021019961-appb-img-000002
일 실시예에서, 제1 여기 코일부(203)는 헬름 홀츠(Helmholz) 구성을 포함하고, 제1 여기 코일부(203)는 제2 여기 코일부(206)와 동일한 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 온도 측정에 사용하기 위한 3차 고조파(third harmonic)와 5차 고조파(fifth harmonic)가 획득될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기 코일부(204) 및 감쇄 코일부(207)를 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 수신기 코일부(204)와 감쇄 코일부(207)는 동일한 구조로 구성될 수 있으며, 이 경우, 권선 방향은 서로 반대로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 수신기 코일부(204)와 감쇄 코일부(207)는 나선형 코일로 구성될 수 있다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열 시스템(1000)을 도시한 도면이다.
도 10a 및 10b를 참고하면, 나노입자 온열 시스템(1000)은 나노입자 온열치료 장치(1010) 및 외부 전자 장치(1020)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 외부 전자 장치(1020)는 PC, 노트북, 태블릿 PC, 스마트폰 등 다양한 단말 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 나노입자 온열치료 장치(1010)는 도 1a 내지 1d의 나노입자 온열치료 장치(100), 통신부(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
통신부는 자기입자영상을 외부 전자 장치(1020)에게 송신하여, 외부 전자 장치(1020)에 의해 자기입자영상이 디스플레이되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 통신부는 유선 통신 모듈 및 무선 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 통신부의 전부 또는 일부는 '송신부', '수신부' 또는 '송수신부(transceiver)'로 지칭될 수 있다.
제어부는 나노입자의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 제어부는 나노입자 온열치료 장치(100)의 스테이지부를 제어하여 사용자의 위치와 코일의 위치를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 제어부는 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 제어부는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 나노입자 온열 시스템(1000)의 동작을 제어할 수 있다.
도 10a 및 10b를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시 예들에서 개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열 시스템(1000)은 도 10a 및 10b에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 10a 및 10b에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

  1. 나노입자에 대한 FFP(Field Free Point)를 제1 방향으로 발생시키는 셀렉션 코일부;
    자기장을 생성하여 상기 FFP를 제2 방향으로 이동시키는 포커스 코일부; 및
    상기 제2 방향에 대한 FFP에 기반하여 타겟 영역의 상기 나노입자를 가열(heat)시키는 히팅 코일부;
    를 포함하는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀렉션 코일부는, 하부 셀렉션 코일 및 상기 하부 셀렉션 코일 상에 위치하는 상부 셀렉션 코일을 포함하고,
    상기 하부 셀렉션 코일과 상기 상부 셀렉션 코일은 서로 반대되는 자성으로 위치하는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자를 오실레이팅하기 위한 제1 여기 코일부; 및
    상기 나노입자에 대한 신호를 검출하기 위한 수신기 코일부;
    를 더 포함하는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 여기 코일부에 의해 발생되는 유도 전압과 반대 극성의 유도 전압을 발생시키는 제2 여기 코일부; 및
    상기 수신기 코일부의 권선 방향(winding direction)과 반대인 권선 방향으로 구성되는 감쇄 코일부;
    를 더 포함하는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수신기 코일부의 수신 신호는, 상기 나노입자의 온도를 측정하기 위해 이용되는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자에 대응하는 타겟 영역의 위치를 조절하기 위한 스테이지부;
    를 더 포함하는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 시간 구간에서 상기 나노입자는 가열되고, 제2 시간 구간에서 상기 나노입자의 온도가 측정되며,
    상기 제1 시간 구간과 제2 시간 구간 사이의 제3 시간 구간은 유휴 시간(relaxation time)을 포함하는,
    개방형 자기입자영상 기반 나노입자 온열치료 장치.
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