磁致熱療腫瘤用磁場發(fā)生裝置的研制

翟明明 文 峻 楊繼慶 李維娜

20世紀60年代國內(nèi)外學者發(fā)現(xiàn)，靜磁場和交變磁場對腫瘤細胞的增殖具有抑制作用，其在臨床應用上的治療效果得到了初步肯定[1-5]。隨著磁場技術(shù)與納米技術(shù)在生物醫(yī)學應用中的研究不斷發(fā)展，利用磁納米粒子在磁場中產(chǎn)熱的原理，令磁納米粒子聚集在腫瘤細胞，然后加以外部磁場，致使納米粒子產(chǎn)熱升溫致43 ℃左右，并將熱能聚集在腫瘤細胞，從而達到高溫殺死腫瘤細胞而同時不損傷正常細胞組織的效果。該方法即為針對腫瘤的新技術(shù)療法—磁感應熱療[6-7]。

磁感應熱療技術(shù)改變了大范圍和中低加溫熱療的傳統(tǒng)腫瘤熱療方法，將熱能集中到腫瘤部位，避免損傷正常組織，具有特異性強、靶向高效、安全性好、升溫時間短、熱分布均勻等優(yōu)點。鐵磁納米粒子為應用最主要的磁熱介質(zhì)[8-9]。在針對腫瘤的磁感應熱療的研究中，為使磁納米粒子在磁場中產(chǎn)熱，技術(shù)的關(guān)鍵在于研制一套產(chǎn)生磁場均勻、頻率可調(diào)的正弦磁場發(fā)生器，以滿足研究腫瘤磁熱療醫(yī)學實驗需求的實驗裝置。

1 工作原理

由三端穩(wěn)壓集成電路為NE555時基電路提供直流穩(wěn)壓電流，產(chǎn)生穩(wěn)定的100 kHz方波信號，經(jīng)RC電路轉(zhuǎn)換為正弦波，經(jīng)電流放大電路輸出至外接磁場線圈。

2 電路設計

整個電路分為3部分∶時基電路部分、方波轉(zhuǎn)換正弦波部分、放大電路部分。電路原理框圖如圖1所示。

2.1 方波時基電路

555脈沖波時基振蕩電路如圖2所示。當電路剛接通電源時，由于定時電容C1尚來不及充電，故腳2處于0電平，導致輸出高電平。當電源經(jīng)定時電阻RV1、RV2和R1向C1充電直到3腳輸出電壓Vc≥2／3 Vcc時，輸出電位由高變低，放電管導通，C1經(jīng)RV1、RV2放電到Vc≤1／3 Vcc時，輸出電位由低變高，電容再次充電，其過程周而復始，形成振蕩。其頻率f=1.438／(R1+ RV1+RV2) C1。

圖1 電路原理

圖2 時基電路

2.2 方波轉(zhuǎn)換為正弦波電路

基于UA741的轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。Rv3為反饋電阻，C2、C4、C5與R3、R4組成了選頻網(wǎng)絡。

圖3 轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 放大電路

當外部線圈匝數(shù)等因素不變時，電流增大可有效增大磁場。電流放大電路如圖4所示。

圖4 放大電路圖

3 常見問題及解決方法

由于理論與實際的差別，電路實踐起來效果并不理想，出現(xiàn)例如振蕩頻率不高以及波形失真等等，遂進行參數(shù)修正以及電路改進。

3.1 刺突狀失真

是在使用集成運放UA741制作正弦波振蕩器時實際產(chǎn)生的問題。在輸出端與負電源4腳之間用一只適當阻值的電阻連接，可以改善輸出端波形失真，隨著頻率的改變信號的幅度也基本穩(wěn)定，這是一個簡單有效的解決方法。

3.2 削波失真

波形如圖5所示。該失真明顯為頂部被削平，造成這種波形的原因多是反饋電阻值過大，電路增益過大，致使輸出電壓峰值過大，甚至會隨著反饋電阻值的增大，輸出波形變得極像方波。減小反饋網(wǎng)絡的總電阻可以解決這種失真，然而過分減小將致使電路不能起振。因此根據(jù)實驗需要，反饋電阻選用電位器，從而可以調(diào)整適當阻值來解決削波失真和不能起振問題。

圖5 削波失真

3.3 參數(shù)調(diào)整

根據(jù)f=1/(2πRC)，C1=0.01 uf，f=100 KHz，使用R1=510 Ω，便于再利用RV1、RV2調(diào)整波形頻率、脈沖寬度。當R1過大或C1過大時，電流輸入將至頂點時晶體管進入飽和區(qū)會導致如圖6所示的欠飽和失真。

通過proteus軟件仿真模擬，電路經(jīng)示波器實際測量所示波形如圖7所示。

圖6 欠飽和失真

圖7 示波器實測波形

4 線圈設計

在不改變其他條件的情況下，線圈的形狀、尺寸和匝數(shù)直接影響磁場強度的大小和分布。匝數(shù)少和平均半徑大的線圈所產(chǎn)生的磁場穿透深度大，可應用于研究大體積物體。匝數(shù)少和平均半徑小的線圈磁場定位較好，可應用于研究待刺激部位較淺的物體[11-13]。在預實驗中，該磁場發(fā)生器外接銅線圈后產(chǎn)生的磁場致使微量納米粒子發(fā)熱。

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