3交变磁场感应肿瘤热疗设备的研究陈辉唐劲天33唐露新刘伟学何爱军(广东工业大学信息工程学院,广州中图分类号:R-332510006)文献标识:A文章编号:1009-6604(2007)11-1027-04随着热生物学、热生理学与电子技术的综合发展,肿瘤局部热疗成为近年国际肿瘤治疗的研究热点。肿瘤局部热疗(hyperthermia)希望能适形把癌瘤组织加热到46～70℃有效治疗温度范围,并维持一段时间,使癌细胞受到毁灭性的打击,并刺激机体免疫系统,增强机体对肿瘤的免疫力;同时要避免正常组织的过热损伤,减少患者不能忍受的各种创伤和威胁患者生命的并发症。与手术、放疗和化疗3种传统方法比较,肿瘤热疗处于辅助和次要地位,但有巨大开发和应用潜能。目前,用于肿瘤局部热疗的方法主要有射频加热、微波加热、超声波加热等[1],但这些方法各自存在一些缺点。超声不能穿过含气空腔,且存在骨反射和吸收等问题;微波加热深度较浅,治疗部位常有烫伤等副作用;射频加温的电场较为发散,将正常组织与肿瘤组织全部加温,无法仅对肿瘤区域准确而均匀加热,加热区和非加热区边界模糊,脂肪过热严重,还存在皮肤疼痛等问题,使其在临床应用上受到限制[1,2]。近年提出的肿瘤深层热疗新方法-介质与外部磁场结合加热法有望克服传统热疗的缺点,引起人们广泛关注。要实现这一目标,研究出适合人体的交变磁场发生装置是根本基础,另外,检测和控围为3～100MHz,这2种设备已经应用于临床中。外部磁场与磁介导材料相结合的方法采用中频交变磁场感应加热,其频率范围20～500kHz。目前,磁介导热疗已有4种类型:经动脉栓塞热疗、直接注射热疗、细胞内热疗和组织间植人热疗[5,6]。按磁介导材料分类有金属热籽和磁流体纳米材料2种,将磁介导材料放入肿瘤特定位置,利用涡流、磁滞、奈222W=kfDB/ρ(1)m其中D为热籽的厚度;ρ是电阻率;k是常数,f、Bm分别为交变磁场频率和磁感应强度。由(1)可见,发热量分别与磁场频率的平方和强度的平方成正比。对于磁性纳米微粒材料的发热原理与金属热SAR=kfH2f(2)0磁性纳米粒子在单位时间内产生热量的大小正比于磁场频率f、磁场强度H的平方,并与磁性纳米0粒子的性质有关用k表示。图1交变磁场局部加热治疗肿瘤示意图目前,电磁场加热治疗肿瘤的方法有外部磁场直接加热和外部磁场与磁介导材料相结合的加热两类方法[4]。外部磁场直接加热的方法包括微波和射频加热,微波的工作频率>100MHz,射频频率[8]1957年Gilchrist等首次将磁性微粒用于医学应用,将Fe2O3注射到肿瘤病人的淋巴结中,然后3国家自然科学基金(30240035,10645005,10490195,10475020)学基金(20240000519)33通讯作者(清华大学工程物理系医学物理与工程研究所,北科技部973计划国际合作重点项目(2004CB720301),清华大学裕元医100084)·1028·中国微创外科杂志2007年11月第7卷第11期ChinJMinInvSurg,November2007,Vol.7No.11在外部施加一个交流磁场诱导加热。但20世纪70年代才初步形成研究热点,虽然人们进行了20多年的努力,但目前该类设备仍然没有真正进入临床使用,其中根本的关键技术是交变磁场感应肿瘤热疗设备,本文从工业、实验、临床3个阶段对这种新方50～100kHz;同时发现,在交变磁场作用下磁性纳米微粒比铁磁热籽具有更高的吸收磁场能量的性质,该条件下表现良好的加热均匀性;但两磁极间的间隙仅为20mm,只适合做动物切片组织的实验。2000年Jordan研究组[10]研制出交变磁场加热试验系统,频率在100kHz左右可调,用于放置病人的空气间隙30～45cm,磁场强度在0～15KA/m可控。该系统采用空气冷却和热交换系统。该系统可由计算机在线监控磁场强度和靶区内温度,其中温度测量的精确度可达到±0.3℃,但该报道仅给出了一个实验模型。2003年Jordan研究组[11]研发出可供医学实验的交变磁场的磁场加热装置。该装置是通过铁氧体磁轭的共振电流产生的一个均匀、工作频率为100kHz左右的磁场,磁场强度在0～15kA/m可控,放置病人的空间在21～45cm可调,采用光导纤维温度计进行温度测量。美国Rosensweig[12]和其他一些研究机构都应用简单实验装置,对磁流体进行感应加热实验。2.2国内研究近年来国内的清华大学、东南大学、上海交大、复旦大学、湘雅医院等科研单位在此方面进行大量的研究,且大多是进行磁...