УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА БИООБЪЕКТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ МАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для терапии злокачественных новообразований путем локального избирательного и неинвазивного воздействия на ткани биообъектов, например, животных или человека, в которые предварительно внедрены магнитные частицы.
Известно много устройств, в которых переменные электромагнитные поля применяют для обработки различных биообъектов, в т.ч. человека в целях лечения. Такие устройства состоят из двух основных блоков: источника переменного тока (например, генератора) и источника магнитного поля (излучателя) - соленоида или электромагнита. Обычно напряженность поля составляет не более нескольких десятков эрстед, а область, на которую распространяется действие поля - от отдельных частей тела, например, головы [Патент РФ №100407], до всего тела человека [Патент РФ №2074749]. Эффект от воздействия такого аппарата обусловлен взаимодействием излучаемого магнитного поля с электрическими импульсами, распространяющимися по нервным волокнам.
Принципиально другими по своей сути являются устройства, в которых применяют переменное магнитное поле для терапии онкологических заболеваний. Эффект магнитной гипертермии обусловлен предварительной доставкой тем или иным способом в опухолевую ткань магнитных частиц и последующим избирательным воздействием на них магнитного поля. При этом магнитные частицы, нагреваясь под действием поля, разрушают раковые клетки.
В большинстве известных работ по магнитной гипертермии используются устройства, включающие генератор и подключенный к его выходу соленоид.
Важными параметрами, определяющими эффективность или степень нагрева магнитных частиц являются частота и амплитуда магнитного поля. Частота должна составлять сто килогерц или больше, а амплитуда - более ста эрстед.
Известно устройство для магнитной гипертермии, включающее генератор и соленоид [N.Kawai, A.Ito, Yoko Nakahara, H.Honda, T.Kobayashi, M.Futakuchi, Т.Shirai, K.Tozawa, and K.Kohri // Complete Regression of Experimental Prostate Cancer in Nude Mice by Repeated Hyperthermia Using Magnetite Cationic Liposomes and a Newly Developed Solenoid Containing a Ferrite Core The Prostate 66: p.719 (2006)]. Соленоид создает аксиальное магнитное поле, биообъект располагается внутри соленоида
Одним из недостатков этого устройства является ограничение по размерам биообъекта - это могут быть клеточные культуры или мелкие животные (мыши, крысы), т.к. для создания нужного поля в соленоидах большого диаметра потребовались бы слишком большие токи (тысячи ампер). При размещении обрабатываемого биообъекта вне соленоида нагрева опухолевых тканей не происходит, т.к. соленоидальные магнитные поля быстро затухают по оси соленоида.
Известно также устройство для воздействия аксиальным магнитным полем на биообъекты, включающее генератор и соленоид с сердечником из магнитомягкого материала [N.Kawai, A.Ito, Y.Nakahara, H.Honda, T.Kobayashi, M.Futakuchi, Т.Shirai, K.Tozawa, and K.Kohri // Complete Regression of Experimental Prostate Cancer in Nude Mice by Repeated Hyperthermia Using Magnetite Cationic Liposomes and a Newly Developed Solenoid Containing a Ferrite Core The Prostate 66: p.721 (2006)].
Используя соленоид с сердечником из магнитомягкого материала, т.е. превратив соленоид в электромагнит, удается увеличить напряженность поля вне соленоида и несколько уменьшить скорость его затухания по оси. В результате становится возможным обрабатывать более крупные биообъекты, размещаемые рядом (вплотную) с торцевой поверхностью сердечника. Такое устройство подходит для обработки патологических очагов, располагающихся вблизи (1-2 см) от поверхности тела. Для обработки более глубоко расположенных опухолей устройство, содержащее генератор и одну катушку с сердечником не подходит, т.к. скорость затухания поля по оси остается значительной, следовательно, низким будет и тепловыделение в биообъекте.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для воздействия магнитным полем на биообъекты, с предварительно внедренными магнитными наночастицами, включающее генератор, магнитопровод рамочного типа с двумя полюсами и пару подключенных к генератору электромагнитных катушек, размещенных каждая на своем полюсе магнитопровода. [A.Jordan, R.Scholz, K.Maier-Hau, M.Johannsen, P.Wust, J.Nadobny, H.Schirra, H.Schmidt, S.Deger, S.Loening, W.Lanksch, R.Felix. Presentation of a new magnetic field therapy system for the treatment of human solid tumors with magnetic fluid hyperthermia // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 225 (2001), 121].
Такое устройство, благодаря наличию замкнутого по наружной стороне магнитопровода и двух полюсов, характеризуется умеренным затуханием поля по мере удаления от полюсов, что позволяет обрабатывать большие биообъекты, размещаемые между полюсами, включая, при соответствующем размере магнитопровода, человеческое тело (определенные его части, где находятся патологические очаги, и куда предварительно были доставлены магнитные наночастицы).
Поскольку это устройство (так же как и упомянутые выше) создает аксиальные поля, их общим недостатком является слабое взаимодействие поля с частью наночастиц, внедренных в биообъект, что приводит к недостаточному тепловыделению. Это обусловлено тем, что при произвольной ориентации магнитных моментов частиц относительно поля, как это имеет место в исходном состоянии, часть из этих моментов будет сориентирована вдоль поля, в результате чего вращательный момент, наводимый полем, будет близок к нулю, т.е. эти частицы не будут откликаться на действие поля, а, значит, и не будут создавать терапевтический эффект.
Кроме того, для переменных аксиальных магнитных полей модуль поля проходит через нулевое значение дважды за период, что также снижает степень нагрева биообъектов.
В основу полезной модели положена задача увеличения тепловыделения при воздействии магнитным полем устройства на биообъекты, с предварительно внедренными магнитными наночастицами, за счет создания вращающегося магнитного поля.
Поставленная задача решается тем, что устройство для воздействия магнитным полем на биообъекты, с внедренными магнитными наночастицами, включающее генератор и пару электромагнитных катушек, размещенных соответственно на двух полюсах магнитопровода, согласно полезной модели снабжено трансформатором, конденсатором и дополнительной парой электромагнитных катушек, генератор подключен к первичной обмотке трансформатора, содержащего две вторичных обмотки, первая из которых подключена к первой паре электромагнитных катушек, а вторая через конденсатор последовательно подключена к дополнительной паре электромагнитных катушек, на магнитопроводе ортогонально первой паре полюсов установлена дополнительная пара полюсов, на каждом из которых размещена соответствующая дополнительная электромагнитная катушка.
При этом емкость конденсатора выбрана из условия электрического резонанса в цепи, содержащей дополнительную пару электромагнитных катушек по формуле:
-1
-2
C=L (2π·f), где:
C - емкость конденсатора,
L - суммарная индуктивность дополнительной пары катушек и второй вторичной обмотки трансформатора,
f - частота, на которую настроен генератор
В заявляемом устройстве используют конденсатор с емкостью, обеспечивающей в цепи, содержащей дополнительную пару катушек, электрический резонанс. Подключение дополнительной пары катушек через конденсатор при условии резонанса обеспечивает сдвиг фазы тока в ней на 90 градусов по отношению к первой паре катушек. Этот ток создает дополнительное магнитное поле в зазоре между дополнительными полюсами, которое также сдвинуто по фазе на 90 градусов по отношению к полю, создаваемому первой парой катушек. Суперпозиция двух сдвинутых по фазе магнитных полей в зазоре между полюсами описывается как вращающееся поле.
Такое поле в отличие от аксиального никогда не обращается в ноль по модулю, а энергия его взаимодействия с магнитным моментом любой частицы дважды за цикл вращения будет достигать максимально возможной для данной напряженности поля величины независимо от первоначальной ориентации момента в пространстве, в то время как аксиальное поле не создает вращающего момента для частиц, магнитный момент которых ориентирован по направлению поля, которое задается ориентацией имеющейся одной пары полюсов и поэтому не меняется. Это обеспечивает более высокое тепловыделение в тканях, содержащих магнитные частицы, по сравнению с аксиальным полем при тех же значениях поля по амплитуде и частоте.
На фиг.1 представлена электрическая схема заявляемого устройства;
на фиг.2 - конструктивное выполнение магнитопровода с размещенными на его полюсах катушками.
-1
-2
Устройство для воздействия магнитным полем на магнитные наночастицы, предварительно внедренные в ткани биоорганизмов (фиг.1) содержит генератор 1 (типа БАР) и трансформатор 2 с сердечником из магнитомягкого феррита 3. Генератор соединен с первичной обмоткой 4 трансформатора 2. Первая вторичная обмотка 5 трансформатора 2 подключена последовательно к первой паре катушек 7 и 8, а вторая вторичная обмотка 6 через конденсатор 11 подключена последовательно к дополнительной паре катушек 9 и 10. Емкость конденсатора 11 подбирается таким образом, чтобы в этой цепи имел место электрический резонанс. Для этого измеряют суммарную индуктивность L второй вторичной обмотки 6 трансформатора 2 и дополнительной пары электромагнитных катушек 9 и 10 и рассчитывают требуемую емкость конденсатора 11, исходя из измеренной индуктивности и рабочей частоты генератора 1 f по формуле C=L (2π·f). Катушки 7, 8, 9 и 10 размещены соответственно на полюсах 12, 13, 14 и 15 магнитопровода 16 (фиг.2), причем полюса 12 и 13 ортогональны полюсам 14 и 15.
Устройство работает следующим образом. Генератор 1, подключенный к трансформатору 2, создает токи в катушках 7, 8, 9 и 10, причем, благодаря наличию конденсатора 11 в цепи дополнительной пары катушек 9 и 10, ток в ней при условии резонанса сдвинут по фазе на 90 градусов относительно первой пары катушек 7 и 8. Эти токи создают магнитные поля в зазоре между полюсами 12, 13, 14 и 15, сумма которых описывается как вращающееся магнитное поле. Биообъект 17, патологические ткани которого содержат магнитные наночастицы, помещают в зазор между полюсами 12, 13, 14 и 15 магнитопровода, при этом вращающееся магнитное поле вызывает нагрев частиц, что приводит к нагреву патологических тканей. При этом поле воздействует в равной степени на все наночастицы, независимо от ориентации их магнитных моментов до воздействия поля, что обеспечивает более высокое тепловыделение, чем для аксиального поля, которое не вращает частицы, ориентированные по полю.
Эксперименты, проведенные в лаборатории прикладного магнетизма ИФМ УрО РАН на экспериментальной установке, позволяющей измерять температуру и скорость тепловыделения нагреваемых модельных суспензий с магнитными частицами железа или кобальта, покрытыми углеродом, показали, что тепловыделение во вращающемся поле в 2-5 раз выше, чем в аксиальном поле той же величины и частоты.