大鼠磁感应热疗的线圈设计与仿真分析.pdf
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1、第41卷第1期2024年1月D0I:10.3969/j.issn.1005-202X.2024.01.015大鼠磁感应热疗的线圈设计与仿真分析中国医学物理学杂志Chinese Journal of Medical PhysicsVol.41.No.1January 2024医学生物物理-101郭思玮,逮迈兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室,甘肃兰州7 3 0 0 0 0【摘要】选用亥姆霍兹线圈作为交变磁场发生装置,以大鼠脑部肿瘤为研究对象,建立相关模型,以Pennes生物传热方程为基础,在COMSOL仿真软件中进行电磁场分布和温度场分布计算,并分析影响磁感应热疗结果的因素。结果表明
2、,大鼠肿瘤治疗区域磁场分布均匀,中心磁感应强度为12.8 47 mT,能达到进行磁感应热疗的条件;温度场分布符合要求,肿瘤区域升温明显,肿瘤中心温度可达46 C以上,肿瘤组织基本能达到治疗温度,能实现比较充分的治疗;线圈匝数、电流、半径及间距、磁场频率等参数均能影响磁感应热疗的效果。本研究结果可为磁感应热疗的临床应用和设备中的线圈设计提供参考。【关键词】磁感应热疗;线圈;耦合场;大鼠模型【中图分类号】R318;R730.59Coil design and simulation analysis of magnetic induction hyperthermia in rats【文献标志码】A
3、【文章编号】10 0 5-2 0 2 X(2 0 2 4)0 1-0 10 1-0 8GUO Siwei,LU MaiKey Lab of Optoelectronic Technology and Intelligent Control of Ministry of Education,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou730000,ChinaAbstract:A Helmholtz coil is selected to generate the alternating magnetic field,and the relevant model is e
4、stablished with arat brain tumor as the research object.Based on the Pennes bioheat transfer equation,the electromagnetic field distributionand temperature field distribution are calculated in COMSOL simulation software,and the factors affecting the outcome ofmagnetic induction hyperthermia are anal
5、yzed.The results show that both magnetic field distribution and temperature fielddistribution meet the requirements for magnetic induction hyperthermia.The magnetic field distribution in the tumortreatment area is uniform,and the central magnetic induction strength is 12.847 mT.The temperature rise
6、in the tumor area issignificant,and the temperature at the tumor center is 46C or above,basically reaching the treatment temperature.Thetherapeutic efficacy of magnetic induction hyperthermia is affected by the number of turns,current,radius and spacing,magnetic field frequency and other parameters.
7、The study provides reference for the clinical application of magneticinduction hyperthermia and thecoil design.Keywords:magnetic induction hyperthermia;coil;coupling field;rat model前言近年来,磁感应热疗作为一种新型的治疗肿瘤的方法得到飞速发展,已经成为继外科手术治疗、物理放射治疗、化学药物治疗和生物治疗之后又一种重要的治疗癌症手段。其主要原理在于利用正常【收稿日期】2 0 2 3-0 9-0 6【基金项目】国家自然
8、科学基金(5156 7 0 15,518 6 7 0 14)【作者简介】郭思玮,硕士研究生,研究方向:磁感应热疗,E-mail:fang-【通信作者】逐迈,博士,博士生导师,教授,研究方向:生物医学电磁学、电磁暴露安全评估,E-mail:组织与肿瘤组织耐热性的差异,在肿瘤组织中注人磁性介质,给局部部位施加交变磁场,磁性粒子在磁场的作用下实现感应发热,通过热传导将热量传递到肿瘤组织中,使得肿瘤组织的温度升温至42 左右并保持一段时间,从而实现肿瘤细胞的调亡,且不损害正常组织2-4。该手段优点在于靶向性高,可以精准地使肿瘤区域温度升高;副作用小,相比于手术、放疗和化疗带来的副作用和并发症,磁感应热
9、疗对人体损伤小,是一种“绿色”的肿瘤治疗手段5。目前,关于磁感应热疗的动物实验和临床试验正在大量进行,但动物实验准备过程复杂,制备周期长,成本高仍是一个值得考虑的地方。在医学研究中,大鼠因为与人体生物组织特性相似而被广泛应-102-用于动物实验中,本研究将以大鼠脑部肿瘤为研究对象,通过建立线圈模型、大鼠模型和肿瘤模型来研究磁感应热疗,用有限元方法计算电磁场和温度场分布,对结果进行分析,为进一步的临床试验提供有价值的参考依据,仿真方法有助于降低成本,能更好地推进磁感应热疗在临床上的应用。1.理论与方法1.1纳米磁流体发热机制本研究所采用的磁介质为Fe,O,磁性纳米颗粒,其在交变磁场中的产热方式主
10、要为弛豫损耗,包含布朗弛豫(Brownian relaxation)和奈尔弛豫(Nelrelaxation)6-7。布朗弛豫是纳米颗粒自身物理旋转导致的畴壁摩擦而产生热量,奈尔弛豫是纳米颗粒在交变磁场作用下磁矩发生翻转而产生热量。布朗弛豫时间t和奈尔弛豫时间t可以用式(1)和式(2)表示:3nVHTBV1+Vk.THTN元exp(r)To2VF其中,n为磁性纳米颗粒载液的粘滞系数;V为流体动力学下单个磁性纳米颗粒的体积,单位为m;k,为玻尔兹曼常量,k=1.38065051023J/K;T 为温度,单位为K;8为磁性纳米颗粒表面修饰层厚度,单位为m;R为粒子半径,单位为m;V 为单个磁性纳米颗
11、粒的体积,单位为m;K为磁各向异性参数;t=110s,为时间弛豫常数。复合弛豫时间t。r 可以由式(3)表示(:1-11(3)+TeftBTNRosesweig将磁性纳米颗粒的发热功率P。(单位体积时间的产热量,单位为W/m)表示为式(4)9 :Po=o元fHox(4)其中,为真空磁导率,o=4元10 7 H/m;f为交变磁场的频率,单位为Hz;H为磁场强度,单位为A/m。x 为磁化率的虚部,可以由式(5)表示9 :TefrXoX=一1+(ot.n)其中,=2 元f;x为平衡磁化率,如式(6)所示:3Xo=Xi=(cothe-)其中,为郎之万参数,=oM.H.Vlk,T;Ma为磁流体中单畴颗粒
12、的磁化强度;x,为初始磁化率,计算公式如式(7)所示10 1:(7)3k,T中国医学物理学杂志其中,为磁流体在肿瘤组织中所占体积百分数。最终,发热功率可以表示为式(8)1:2元fterP。=ofHeXo1+(2/f t)1.2生物组织传热方程在生物组织传热研究领域,考虑了血液灌注率和生物代谢热的Pennes生物传热方程最为常用,该方程表达式为12 ;pctaT=V(kVT)+p,C,o,(T-T,)+Qm+P。(9)其中,p为生物组织的密度,单位为kg/m;c为生物组织的比热容,单位为J/(kgK);k为生物组织的导热系数,单位为W/(mK);Pb、C,分别为血液密度、比热容,单位分别为kg/
13、m、J/(k g K);,为血液灌注率,单位为1/s;T,为生物组织中动脉血液温度,单位为K;Q m 为生物代谢热,单位为K;P。为外部热源,考(1)虑到细胞间质液和磁介质载液粘滞系数的差异,因R此在发热功率前乘以一个矫正系数=0.55,表示实KV(2)k.T(5)(6)第41卷(8)际的发热功率13 磁感应热疗中的电磁场与热场的耦合属于弱耦合,在整个加热过程中磁场已达稳态,故可将交变磁场中磁流体产生的热量作为外部热源代人传热方程中进行温度场计算14。磁感应热疗的有效治疗温度阈值为42 15,本文中所有生物组织和空气的初始温度设置为3 7,生物体与外界空气不进行热量交换,内部连续边界条件设置如
14、式(10)(12)所示:T,(x,y,z,0)=T,(x,y,z,0)=37CT,(x,y,z,t)=T,(x,y,z,t)aT,(x,y,z,t)kion其中,T,、T,分别为肿瘤组织和正常组织的温度,单位为;k,和k,为肿瘤组织和正常组织的导热系数,单位为W/(mK)。2模型与材料2.1亥姆霍兹线圈建模因为空间分布均匀的交变磁场是提高温度场分布均匀性和加热效果的前提,并考虑到装置实际制作的问题,本研究采用亥姆霍兹线圈(Helmholtz coil)作为产生交变磁场的装置。亥姆霍兹线圈由两个半径相同的同轴圆线圈组成,两个线圈在中心点两侧对称分布,二者之间的距离等于线圈半径。在两个圆线圈磁场的
15、叠加作用下,中心点附近轴向分布着均匀磁场16 。亥姆霍兹线圈中磁感应强度由毕奥-萨伐尔定律(10)(11)OT,(x,y,z,t)=k2an(12)第1期计算,单个圆线圈的磁感应强度计算公式如式(13)所示:MoNIR?B。=一2R2+x其中,。为真空中的磁导率;N为线圈的匝数;I(A)为交变电流峰值;R(m)为线圈半径;x(m)为线圈中轴线上点到中心点的距离。亥姆霍兹线圈上任一点的磁感应强度为两个线圈磁感应强度的叠加,计算方式如式(14)所示:MoNIR?B=B,+BR=-R2R2+=-+x(2肿瘤热疗一般采用10 50 0 kHz的交变磁场,且交变磁场频率与场强的乘积不超过510 A/(m
16、s)1,故根据大鼠尺寸和实际装置制作要求,本研究构建的线圈半径为150 mm,左右线圈中心间距为150 mm。采用10 0 kHz的交变磁场,两个线圈的匝数均为2 10匝,通人10 A的电流。线圈材料为铜,电导率为5.998107S/m,相对磁导率为1,导线横截面积为1.5mm。具体模型如图1所示。图1亥姆霍兹线圈模型Figure1Helmholtz coil model郭思玮,等。大鼠磁感应热疗的线圈设计与仿真分析2.2大鼠癌症模型研究选用大鼠作为磁感应热疗的对象,所治疗肿瘤为大鼠脑部肿瘤,故在建模时需要对大鼠整体及脑3(13)uoNIR?3+22R?+-X2-103部进行建模。采用3 DS
17、MAX软件建立大鼠模型,导人COMSOL软件中,如图2 a所示。大鼠整体模型依据大鼠断层彩色解剖图谱建立18 ,依据文献中的数据和实际建模情况,将大鼠的整体尺寸(不含尾长)设置为(2 0 3 7672)m m。依据大鼠脑部定位图谱建立大鼠脑部组织模型19 。大鼠脑部组织为4层结构,最里面的大鼠深部脑组织,为半径12 mm的球体,脑组织的外面一层为(14)颅骨层,为半径12.5mm的球体,厚度为0.5mm;最外层2R为大鼠头皮层,平均厚度约为1mm,头皮和颅骨中间为肌肉组织,大鼠脑部模型三维建模如图2 b所示。因一般肿瘤的尺寸较小,因此将肿瘤组织等效为球体是可行的,本研究将肿瘤组织建模为半径5m
18、m的球体,因脑肿瘤理论上可出现在脑组织的各个位置,本研究的肿瘤组织位于脑组织中心,其位置与尺寸如图3 所示。2.3生物组织和磁性材料参数2.3.1磁介质参数磁性纳米颗粒自身的参数主要有粒子半径、磁各向异性参数、粒子流体力学体积、动态粘滞度、磁化强度等,本研究选择的磁性材料采用磁感应热疗中常用的水基Fe,O,磁性纳米粒子,粒子半径为9.5nm,具体材料参数如表1所示2 0 。2.3.2生物组织参数选择19 9 6 年,Gabriel用4阶Cole-Cole模型计算生物组织的电导率和相对介电常数,因老鼠与人体生物组织特性相似,常用做临床试验,故采用人体组织参数来计算2 1,表2 为10 0 kHz
19、频率下部分生物组织电导率和相对介电常数,其中脑组织采用脑白质和脑灰质混合参数,躯干采用血液、肌肉、骨骼和皮肤4种组织的混合参数2 。热物理参数包括密度、比热容和导热系数,其通常从生物实验测得。在进行温度场分布的计算时,通常还需要考虑血液灌注率,和代谢热Qm,本研究颅骨头皮肌肉脑组织a:大鼠整体模型图2 COMSOL软件中大鼠模型Figure 2 Rat model in COMSOL softwareb:大鼠4层脑部模型104-a:大鼠脑部组织透视模型图3 COMSOL软件中大鼠脑部肿瘤模型Figure 3 Rat brain tumor model in COMSOL software中国医
20、学物理学杂志生物组织头皮5mm肌肉颅骨b:肿瘤组织模型脑组织驱干第41卷表2 10 0 kHz频率下部分生物组织介电参数Table 2 Biological tissue dielectric parametersat 100kHz frequency电导率g/Sml0.065800.361900.020.800.107800.48970相对介电常数15357.008089.20227.642.664.705.933.80表1Fe.O,磁性纳米粒子相关参数Table 1 Parameters related to Fe,O,magnetic nanoparticles参数名称磁性纳米粒子半径(
21、R磁各向异性参数(K)粒子流体力学体积(VH)动态粘滞度(n)磁化强度(M)在进行温度场分布计算时,只考虑大鼠脑部组织,其相关的生物组织热物理参数见表3 2 3-2 4。值在注射磁流体一段时间后,假设磁性纳米颗粒9.50 x10-9m在肿瘤区域均匀分布,则磁流体与肿瘤组织混合区1.00104 J/m3域的热物理参数如密度p。比热容c.和导热系数k.计5.0810-22 m3算方法如式(15)(17)所示2 5:1.00 x10-3kg/(ms)P,=(1-e)Pumor+cpMNs4.46102kA/mC,=(1-c)Cumor+ECMNs(15)(16)表3 生物组织热物理参数Table 3
22、 Thermophysical parameters of biological tissues生物组织密度p/kgm3头皮1125肌肉1047颅骨1990脑组织1038比热容c/Jkg-lK-!360035003 1003650导热系数k/Wm-lK-l0.420 00.60000.370.00.5350血液灌注率0/1s-!2.00010-28.69010-34.36010-48.83010-3代谢热Qm/Wm31620480.0610.071001(1-:)kkumor其中,8 为磁流体在肿瘤组织中的体积分数,临床上通常取e=0.003。Pu mo r v C u mo r 和kumor
23、分别为肿瘤组织8KMNs的密度、比热容、导热系数,而pMNsVCMns和kMs依次为(17)磁流体的密度、比热容和导热系数。磁流体、肿瘤组织及混合区域热物理参数具体数值见表47.2 0 1。表4磁流体、肿瘤组织及混合区域热物理参数Table 4 Thermophysical parameters of magnetic fluid,tumor tissue and mixed area生物组织密度p/kgm3磁流体5 180.0肿瘤组织1060.0混合区域1072.4比热容c/JkglK-14.000.03.650.03651.1导热系数k/Wml.K-1血液灌注率o/1s-代谢热Qm/Wm3
24、40.0000.535000.531600.013925.790.0第1期结果与分析3.1大鼠模型电磁场分布图4和图5分别是亥姆霍兹线圈下大鼠模型YZ面(x=0 mm)和XZ面(y=0 mm)电磁场分布。由图4a和图5a可知该大鼠模型区域磁场分布较为均匀,脑组织中心处产生的磁感应强度大小为12.8 47 mT,即磁场强度为10 2 2 3 A/m,可以满足磁感应热疗需求;由图4b和图5b可知,在放入生物组织后,因生物组织的相对介电常数与空气差异较大,因此穿过生物组织的电场发生畸变,反应在结果图中为电场分布沿着生物体发生了变化,皮肤处变化较为明显。计算脑组织中电场强度可得,脑组织中心电场强度为9
25、4.374 V/m。mT431.53025201510573.04x10-14a:磁感应强度图4大鼠模型YZ面电磁场分布Figure 4 YZ-plane electromagnetic field distribution of the rat modelmT_12.8121086421.89x10-11a:磁感应强度图5大鼠模型XZ面电磁场分布Figure 5 xZ-plane electromagnetic field distribution of the rat model郭思玮,等,大鼠磁感应热疗的线圈设计与仿真分析V/m.7907006005004003002001002.510
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