技术领域
背景技术
[0002]
磁性纳米材料因其独特的性质，在现代社会中有着广泛的应用，并越来越受到人们的关注。磁性纳米颗粒是指纳米尺度的磁性材料，如Fe3O4，在外加磁场的作用下，具有磁性并可向着磁场方向移动而集中于
指定的部位，利用这一特点，磁性纳米颗粒在
生物和医学中具有广泛的应用。磁性纳米颗粒不论是在单独使用还是作为磁性载体与其他生物分子或功能性材料结合，都需要对其磁性纳米颗粒进行表面修饰，通过表面修饰可以使磁性纳米颗粒由油相转为
水相，提高纳米颗粒在溶液中的
稳定性。在生物领域使用最多的磁性纳米颗粒为Fe3O4磁性纳米颗粒。这是由于Fe3O4磁性纳米颗粒的超顺磁临界尺寸较大、灵敏度高、毒性低、性能稳定且原材料易得。通常Fe3O4磁性纳米颗粒不会对人体产生毒
副作用。Fe3O4磁性纳米颗粒部分被人体利用外，其余的磁性粒子可以通过
皮肤、胆汁、肾脏等安全排除体外。
[0003] 作为靶向载体，纳米颗粒载体具有选择和高效运载药物的可行性已经被大量的研究所证实，基于这种可行性主要有被动靶向和主动靶向两种机制，相对于被动靶向，主动靶向的
定位性和选择性更高，主动靶向可以通过
纳米粒子的靶向配体实现功能化，建立在纳米载体和靶细胞受体特异性集合的
基础上，也可以促进纳米载体通过受体介导的内吞作用而内化。为实现定向靶向
给药以及靶向
治疗，需要实现磁性纳米颗粒的定位聚焦。目前针对磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统有例如中国
专利201110144541.8，该专利提出了一种基于负荷磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，在产生交变磁场装置两侧设置同极相对的
永磁体，该永磁体与产生交变磁场的装置的中心线的距离大致相等，通过在交变磁场上
叠加永磁体产生恒定磁场来实现对磁性纳米颗粒热效应的控制和对分散有磁性纳米颗粒区域内局部
位置的选择性升温，但该技术方案中，永磁体产生的磁场是恒定的，永磁体一旦安装到位后只有相对的永磁体磁极中心出的磁性纳米颗粒粒子热效应可以控制，若需要
热疗的
机体组织不在磁极中心，则无法根据
肿瘤区域位置和形状来灵活调整选择加热区域，难以在实践中应用，另一个原因是该系统是专
门针对热疗的，目前专门针对磁性纳米颗粒定位聚焦给药的系统还没见报道。
发明内容
[0004] 为了克服
现有技术的缺点，解决磁纳米颗粒在空间区域的聚焦问题，本发明提出一种磁纳米颗粒的聚焦磁场调控系统。本发明可实现携带药物的纳米颗粒在
生物组织目标区域内的磁纳米颗粒的聚集，进行目标治疗时，药物在目标治疗区域释放。本发明不仅适用于人体内药物难以进入区域的靶向给药治疗，例如股骨头
坏死、关节炎等，也适用于肿瘤的靶向治疗。
[0005] 本发明通过调整驱动
电路的
电流大小控制目标区域的磁场强度，实现对目标区域的聚焦位置和尺寸的控制，从而达到定向给药的目的。
[0006] 所述的聚焦磁场调控系统包括聚焦模
块、导磁回路和控
制模块。所述的聚焦模块包括两对励磁线圈组和两对聚磁磁极，所述的聚焦模块通过两对聚磁磁极与导磁回路相连接，所述的
控制模块与聚焦模块的两对励磁线圈相连接。
[0007] 所述的聚焦模块中，两对励磁线圈组共有4个激励线圈，其中第一励磁线圈与第三励磁线圈是一对励磁线圈，第二励磁线圈和第四励磁线圈是另一对励磁线圈。第一聚磁磁极和第三聚磁磁极是一对相对布置而且同轴的聚磁磁极，第二聚磁磁极与第四聚磁磁极是另一对相对布置而且同轴的聚磁磁极，第一励磁线圈绕制在第一聚磁磁极上，第二励磁线圈绕制在第二聚磁磁极上，第三励磁线圈绕制在第三聚磁磁极上，第四励磁线圈绕制在第四聚磁磁极上。
[0008] 所述的励磁线圈可以是圆形线圈，也可以是矩形线圈。所述的两对励磁线圈为磁纳米颗粒载体提供磁
力，实现磁纳米颗粒的聚集。
[0009] 所述的励磁线圈内加载的激励电流的
频率为0-500KHz，电流幅值范围为10A/m-10000A/m。
[0010] 每一个励磁线圈紧密绕制在聚磁磁极上。所述的聚磁磁极为
铁磁性物质，励磁线圈对最好为类赫姆霍兹线圈，励磁线圈的半径大于等于治疗位置区域的直径，两个相对的励磁线圈之间的距离为励磁线圈的直径。
[0011] 励磁线圈产生磁场的计算公式为：
[0012] 根据毕奥-萨伐定律，对于圆形励磁线圈，其励磁线圈内的电流元Idl在其周围产生的磁场为：
[0013]
[0014] 公式中，B为磁感应强度，I为
导线通过的电流，dl为励磁线圈的有向线段元，R为源点与场点之间的距离矢量，R为矢量的模，μ0为
真空磁导率。
[0015] 对于矩形的单
匝励磁线圈，在其轴线上产生的磁场的感应强度大小为：
[0016]
[0017] 其中，Brect为矩形励磁线圈轴线上的磁感应强度的幅值，a和d为矩形的两个边长，h为线圈轴线上的点到线圈中心的距离。
[0018] 所述的导磁回路由
铁磁性介质制作，可以是圆环形也可以是方环形，或者其他任意的轴对称结构，通过横轴上下对称、竖轴左右对称。所述的四个聚磁磁极分别上下、左右对称地与导磁回路连接，若导磁回路是方环形，则四个聚磁磁极分别安装在导磁回路的四个壁上，四个聚磁磁极分别与所对应的导磁回路的壁垂直，且位于每个壁的中心，若导磁回路是圆环形，则四个聚磁磁极均匀分布在圆环内，并且每个聚磁磁极垂直于圆环对应位置的内切面。导磁回路的作用一是减少磁场
能量的损失，作用二是使装置固定在治疗位置区域。所述的导磁回路
覆盖整个目标区域，可以与聚焦模块相结合共同实现磁纳米颗粒的有效移动。
[0019] 所述的聚磁磁极、励磁线圈和导磁回路共同控制磁性纳颗粒聚集的方向、速度和聚集区域。
[0020] 所述的励磁线圈是成对出现的，与聚磁磁极相结合用于产生使磁纳米颗粒运动的磁场，励磁线圈内通入随时间变化的电流，用来控制目标区域的大小和所产生磁场的强度。
[0021] 所述的控制模块包括控制系统和多路电流激励系统，控制系统与多路电流激励系统连接。多路电流激励系统输出四路电流
信号，分别连接四路励磁线圈，即第一路连接第一励磁线圈，第二路连接第二励磁线圈，第三路连接第三励磁线圈，第四路连接第四励磁线圈，控制系统通过发送控制时序控制多路电流激励系统，多路电流激励系统接收控制系统的控制指令后决定对多路电流激励系统的哪一路输出电流信号。
[0022] 对本发明磁纳米颗粒目标治疗区域的控制包括对两对励磁线圈和两对聚磁磁极的控制，每一对励磁线圈以共轴的方式平行放置。具体如下：
[0023] 第一步：根据需要根据治疗治疗位置区域的尺寸及磁纳米颗粒目标治疗区域的聚焦程度确定导磁回路的空间区域，例如对于治疗股骨头坏死的关节靶向治疗，则根据治疗区域确定导磁回路的空间尺寸应能覆盖整个需治疗的区域，同时需要考虑磁纳米颗粒目标治疗区域；
[0024] 第二步：综合考虑磁纳米颗粒目标治疗区域域内磁纳米颗粒的粒径、
密度和分布区域选择聚磁磁极的尺寸、励磁线圈的匝数、电流、线圈半径和励磁线圈内通入的电流的时序；
[0025] 第三步：根据第二步设计的参数进行聚焦磁场调控。
[0026] 具体为：
[0027] 根据安培环路定律，所述的励磁线圈通入的电流产生的磁动势满足：
[0028] ∮H0·dl＝∑NI
[0029] 上式中，∮环路积分为线圈电流产生的磁场强度的环路积分。I为线圈通过的电流，N为线圈匝数，dl为磁场强度积分路径，H0为线圈电流产生的磁场强度；
[0030] 假设磁纳米颗粒为一个半径为r的小球，根据斯托克斯定律，磁纳米颗粒在粘滞系数为η的
流体中运动时，若磁纳米颗粒运动速度为v，磁纳米颗粒所受的粘滞阻力F0为：
[0031] F0＝6πηrv
[0032] 上式中π需精确到小数点后4位，取值为3.1416。
[0033] 假设磁纳米颗粒的密度为ρ，当磁纳米颗粒在密度为ρ'的流体中运动时，考虑重力的影响，磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力为：
[0034]
[0035] 上式中，g为所处环境中的重力
加速度，F1为磁纳米颗粒受到粘滞力与重力的合力。
[0036] 假设磁纳米颗粒磁化强度为M，磁导率为μ，磁纳米颗粒所处环境的磁场强度为H0，则磁纳米颗粒所处环境磁感应强度Bpart为：
[0037] Bpart＝μ(M+H0)
[0038] 根据安培力定律，磁纳米颗粒的所受电磁力为：
[0039] F2＝BpartIL
[0040] 公式中I磁纳米颗粒等效分子电流大小，L为磁纳米颗粒的等效长度，F2为磁纳米颗粒所受的电磁力。
[0041] 当磁纳米颗粒所受的电磁力F2大于磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力的合力F1时，磁纳米颗粒将按速度为v的运动速度运动。
[0042] 即：
[0043]
[0044] 励磁线圈的匝数、通入的电流要保证在治疗区域产生的磁场强度至少在mT量级，以助于磁纳米颗粒向磁纳米颗粒目标治疗区域的聚集。
[0045] 所述的励磁线圈需要产生激励磁场的
频率范围为0-500KHz，激励磁场的幅值范围为10A/m-10000A/m。
[0046] 在控制系统的控制下两对励磁线圈按照以下两种模式工作：
[0047] 模式1：向竖轴方向的两个励磁线圈，即第二励磁线圈和第四励磁线圈通入直流电流，横轴方向两个励磁线圈，即第三励磁线圈和第一励磁线圈不加载电流，磁纳米颗粒向竖轴所在直线方向聚集；
[0048] 模式2：向横轴方向的两个励磁线圈，即第三励磁线圈和第一励磁线圈通入直流电流，竖轴方向的线圈，即第二励磁线圈和第四励磁线圈不加载电流，磁纳米颗粒向横轴所在直线方向聚集；
[0049] 通过控制系统的控制，使模式1和模式2交替工作，将使携带药物的磁纳米颗粒向磁纳米颗粒目标治疗区域聚集，进而达到治疗目的。
附图说明
[0050] 图1本发明一种聚焦磁场调控系统示意图；
[0051] 图2聚焦磁场调控系统工作模式1
磁力线走向示意图；
[0052] 图3聚焦磁场调控系统工作模式1横向磁通趋势示意图；
[0053] 图中：A01竖轴，A02第二聚磁磁极，A03导磁回路，A04第一励磁线圈，A05横轴，A06治疗位置区域，A07磁纳米颗粒目标治疗区域，A08第二励磁线圈，A09第一聚磁磁极、A10第四励磁线圈，A11第四聚磁磁极，A12第三励磁线圈，A13第三聚磁磁极，A14控制系统，A15多路电流激励系统。
具体实施方式
[0054] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
[0055] 如图1所示，本发明聚焦磁场调控系统包括聚焦模块、导磁回路A03和控制模块。所述的聚焦模块通过两对聚磁磁极与导磁回路A03相连接，所述的控制模块与聚焦模块的两对励磁线圈相连接。
[0056] 所述的两对励磁线圈组共有4个激励线圈，其中第一励磁线圈A04与第三励磁线圈A12是一对励磁线圈，第二励磁线圈A08和第四励磁线圈A10是另一对励磁线圈。第一聚磁磁极A09和第三聚磁磁极A13是一对相对布置而且同轴的聚磁磁极，第二聚磁磁极A02与第四聚磁磁极A11是另一对相对布置而且同轴的聚磁磁极。励磁线圈绕制在聚磁磁极上。第一励磁线圈A04绕制在第一聚磁磁极A09上，第二励磁线圈A08绕制在第二聚磁磁极A02上，第三励磁线圈A12绕制在第三聚磁磁极A13上，第四励磁线圈A10绕制在第四聚磁磁极A11上。所述的励磁线圈可以是圆形线圈，也可以是矩形线圈。所述的两对励磁线圈所起的作用是为磁纳米颗粒载体提供磁力，实现磁纳米颗粒的聚集。
[0057] 所述的励磁线圈内加载的激励电流的频率为0-500KHz，电流幅值范围为10A/m-10000A/m。
[0058] 所述的聚磁磁极为铁磁性物质，励磁线圈对最好为类赫姆霍兹线圈，每一个励磁线圈的半径大于等于治疗位置区域的直径，两个相对的励磁线圈之间的距离为励磁线圈的直径。
[0059] 励磁线圈产生的磁场的计算公式为：
[0060] 根据毕奥-萨伐定律，对于圆形励磁线圈，当为励磁线圈通入电流后，在励磁线圈的电流元Idl周围产生的磁场为：
[0061]
[0062] 上式中B为磁感应强度，I为导线通过的电流，dl为励磁线圈的有向线段元，R为源点场点之间的距离矢量，R为矢量的模，μ0为真空磁导率。
[0063] 对于矩形单匝励磁线圈，在其轴线上产生的磁场的感应强度大小为：
[0064]
[0065] 上式中Brect为矩形励磁线圈轴线上的磁感应强度的幅值，a和d为矩形的两个边长，h为线圈轴线上的点到线圈中心的距离。
[0066] 所述的导磁回路A03由铁磁性介质制作，可以是圆环型也可以是方环型，或者其他任意的轴对称结构。所述的四个聚磁磁极分别上下、左右对称地与导磁回路A03连接，若导磁回路是方环型的，则四个聚磁磁极分别安装在导磁回路的四个壁上，四个聚磁磁极分别与所对应的导磁回路的壁垂直，且位于每个壁的中心，若导磁回路是圆环型，则四个聚磁磁极均匀分布在圆环内，并且每个聚磁磁极垂直于圆环对应位置的内切面。导磁回路A03的作用一是减少磁场能量的损失，另一个作用是使所述的聚焦磁场调控装置固定在治疗位置区域A06。所述的导磁回路A03覆盖整个目标区域，可以与聚焦模块相结合共同实现磁纳米颗粒的有效移动。
[0067] 所述的导磁回路A03既能实现
支撑作用同时又可以与聚焦模块相结合共同实现磁纳米颗粒的有效移动。聚焦模块的聚磁磁极、励磁线圈和导磁回路共同控制磁性纳颗粒聚集的方向、速度和聚集区域。
[0068] 所述的励磁线圈是成对出现的，与聚磁磁极相结合用于产生使磁纳米颗粒运动的磁场，励磁线圈内通入的是随时间变化的电流，用来控制目标区域的大小和产生的磁场的强度。
[0069] 所述的控制模块包括控制系统A14和多路电流激励系统A15，控制系统A14与多路电流激励系统A15连接，多路电流激励系统输出四路电流信号，分别连接四路励磁线圈，即第一路连接第一励磁线圈A04，第二路连接第二励磁线圈A02，第三路连接第三励磁线圈A12，第四路连接第四励磁线圈A10，控制系统A14通过发送控制时序控制多路电流激励系统A15，多路电流激励系统A15接收控制系统的控制指令后决定对多路电流激励系统A15的哪一路输出激励电流信号。
[0070] 本发明聚焦磁场调控系统对磁纳米颗粒目标治疗区域A07的控制包括对两对励磁线圈和两对聚磁磁极的控制，所述的每一对励磁线圈以共轴的方式平行放置。具体如下：
[0071] 第一步：根据需要根据治疗位置区域A06的尺寸及磁纳米颗粒目标治疗区域A07的聚焦程度确定导磁回路的A03空间区域，例如对于治疗股骨头坏死的关节靶向治疗，则根据治疗区域确定导磁回路的空间尺寸应能覆盖整个需治疗的区域，同时需要考虑磁纳米颗粒目标治疗区域。
[0072] 第二步：综合考虑磁纳米颗粒目标治疗区域A07域内磁纳米颗粒的粒径、密度和分布区域选择聚磁磁极的尺寸、励磁线圈的匝数、电流、线圈半径和励磁线圈内通入的电流的时序控制。
[0073] 第三步：根据第二步设计好的参数进行聚焦磁场调控。
[0074] 其具体方案为：
[0075] 根据安培环路定律，所述的励磁线圈通入电流产生磁动势满足：
[0076] ∮H0·dl＝∑NI
[0077] 上式中，∮环路积分为线圈电流产生的磁场强度的环路积分。I为线圈通过的电流，N为线圈匝数，dl为磁场强度积分路径，H0为线圈电流产生的磁场强度；
[0078] 将磁纳米颗粒假设为一个半径为r的小球，根据斯托克斯定律，在粘滞系数为η的流体中运动时，若磁纳米颗粒运动速度为v，磁纳米颗粒所受的粘滞阻力F0为：
[0079] F0＝6πηrv
[0080] 上式中，π取值为3.1416。
[0081] 假设磁纳米颗粒的密度为ρ，当磁纳米颗粒在密度为ρ'的流体中运动时，考虑重力的影响，磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力为：
[0082]
[0083] 上式中g为所处环境中的
重力加速度，F1为磁纳米颗粒受到粘滞力与重力的合力。
[0084] 假设磁纳米颗粒磁化强度为M，磁导率为μ，磁纳米颗粒所处环境的磁场强度为H0，则磁纳米颗粒所处环境磁感应强度Bpart为：
[0085] Bpart＝μ(M+H0)
[0086] 根据安培力定律，磁纳米颗粒的所受电磁力F2为：
[0087] F2＝BpartIL
[0088] 上式中Bpart为磁纳米颗粒所处环境磁感应强度，I磁纳米颗粒等效分子电流大小，L为磁纳米颗粒的等效长度，F2为磁纳米颗粒所受的电磁力。
[0089] 当磁纳米颗粒所受电磁力F2大于磁纳米颗粒受到的粘滞力和重力合力F1时，磁纳米颗粒将按运动速度为v进行运动。
[0090] 即：
[0091]
[0092] 励磁线圈的匝数、通入的电流要保证在治疗位置区域A06产生的磁场强度至少在mT量级，有助于磁纳米颗粒向磁纳米颗粒目标治疗区域A07的聚集。
[0093] 所述的励磁线圈需要产生激励磁场的频率范围为0-500KHz，激励磁场的幅值范围为10A/m-10000A/m。
[0094] 两对励磁线圈在控制系统的控制下将按照以下两种模式工作：
[0095] 模式1：向竖轴A01方向的两个励磁线圈，即第二励磁线圈A02和第四励磁线圈A10通入直流电流，横轴A05方向的两个励磁线圈即第三励磁线圈A12和第一励磁线圈A04不加电流，磁纳米颗粒向竖轴A01所在直线方向聚集；
[0096] 模式2：向横轴A05方向的两个励磁线圈即第三励磁线圈A12和第一励磁线圈A04通入直流电流，竖轴A01方向的线圈，即第二励磁线圈A02和第四励磁线圈A10中不加载电流，磁纳米颗粒向横轴A05所在直线方向聚集；
[0097] 通过控制系统A14的控制，使模式1和模式2交替工作，将使携带药物的磁纳米颗粒向磁纳米颗粒目标治疗区域A07聚集，进而达到治疗目的。
[0098] 由于模式1和模式2为对称工作模式，因此两种工作模式除磁路方向不同外，其工作状态均相同，因此以工作模式1为例解释磁纳米颗粒聚集装置工作原理。
[0099] 在模式1中通过控制系统A14，利用多路电流激励系统A15在第二励磁线圈A02和第四励磁线圈A10中通入直流，在第三励磁线圈A12和第一励磁线圈A04不加电流时，本发明一种聚焦磁场调控系统产生的磁力线走向如图2所示，磁纳米颗粒向竖轴A01所在直线方向聚集，其产生的磁力线横向磁通密度分布如图3所示，可以明显看出磁场沿竖轴A01方向比起周围方向磁场强度高，因此实际工作时，在工作模式1的作用下，磁纳米颗粒将向竖轴进行聚集。同理，模式2磁纳米颗粒将沿横轴进行聚集。由于两种工作模式磁纳米颗粒聚集方向
正交，因此当两种工作模式交替工作时，磁纳米颗粒将向磁纳米颗粒目标治疗区域A07进行聚集，实现磁纳米颗粒聚集的目的。
