PL230206B1

PL230206B1 - Urządzenie do wytwarzania rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości

Info

Publication number: PL230206B1
Application number: PL418587A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Skumiel
Original assignee: Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu; Uniwersytet Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL418587A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do generowania ratującego pola magnetycznego zawierające układ trzech par cewek nawiniętych na rdzeniach ferrytowych, których indukcyjności nie różnią się więcej niż 5%. Urządzenie do generowania ratującego pola magnetycznego charakteryzuje się tym, że zawiera układ trzech par cewek (1, 1' 2, 2' 3, 3') nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (4, 4' 5, 5', 6 6'), których indukcyjności nie różnią się więcej niż 5%, zaś poszczególne pary cewek wraz z odpowiadającymi im kondensatorami (7, 8, 9) wraz z zaciskami (10, 11, 12) tworzą gałęzie układu, do których poprzez zaciski (10, 11, 12) doprowadzane są sygnały zasilające (UA, UB i UC) o tej samej amplitudzie, ale przesuniętych fazach względem siebie o 120°.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania ratującego pola magnetycznego o wysokiej częstotliwości, ze szczególnym przeznaczeniem do wytwarzania zmiennych pól magnetycznych stosowanych w hipertermii magnetycznej.

Zmienne pola magnetyczne są od lat wykorzystywane w medycynie w celach leczniczych. Zwłaszcza zastosowanie tych pól o częstotliwościach fal radiowych używane jest w tzw. magnetycznej hipertermii, której celem jest niszczenie guzów nowotworowych. W tym celu wprowadza się w okolicę tkanek nowotworowych ciecz magnetyczną zawierającą nanocząstki magnetyczne (np. magnetytowe) o rozmiarach kilkunastu nanometrów i jednocześnie włącza się zmienne pole magnetyczne, które bez problemu może przenikać ciało chorego i docierać w obszar guza. Te magnetyczne nanocząstki pobudzane zewnętrznym polem magnetycznym ulegają przemagnesowaniu z częstotliwością pola. Są one wtedy źródłem wydzielanego ciepła i określony obszar organizmu ulega podgrzaniu. Działanie lecznicze jest związane z faktem mniejszej odporność na przegrzanie komórek nowotworowych niż komórek zdrowych.

Podstawy fizyczne mechanizmu uwalniania energii cieplnej przez nanocząstki magnetyczne kosztem zewnętrznego pola magnetycznego są szeroko opisywane w literaturze naukowej.

Znane rozwiązania do generacji zmiennych pól magnetycznych oparte są na wykorzystaniu cewki (solenoidu) powietrznej podłączonej do generatora sygnału sinusoidalnego. We wnętrzu cewki występuje wówczas przestrzeń z oscylującym polem magnetycznym skierowanym wzdłuż osi cewki [1],

Inne z rozwiązań polegało na zastosowaniu obwodu magnetycznego zawierającego ferrytowy magnetowód dzięki czemu uzyskano znaczne zwiększenie natężenia pola magnetycznego w szczelinie powietrznej [2, 4], W rozwiązaniu tym nadal występowało pole magnetyczne zmieniające swoje natężenie wzdłuż jednej osi tzn. pole oscylujące wzdłuż jednego kierunku.

Milos Bekovic i współpracownicy [3] ujawnili rozwiązanie dotyczące sposobu generowania ratującego pola magnetycznego, w którym wektor namagnesowania zmieniał swój kierunek (magnetyczne pole ratujące).

W rozwiązaniu tym, którego schemat przedstawiono na rysunku na figurze 1 Ad. Stan techniki, zastosowano dwie pary powietrznych cewek Helmholtza, których osie (x i y) ustawione są pod kątem prostym. Do zasilania tych cewek użyto dwóch generatorów mocy, lecz ich sygnały były przesunięte w fazie o kąt (π/2) rad. Takie przesunięcie fazy między obu sygnałami uzyskuje się przy pomocy przesuwnika fazowego włączonego w jeden z torów sygnałowych. W efekcie w przestrzeni między cewkami występuje ratujące pole magnetyczne, którego częstotliwość f i natężenie pola magnetycznego H można regulować generatorem sygnałowym RF. Układ ten oparty jest na zastosowaniu mniej sprawnego 2-fazowego układu dwóch par powietrznych cewek Holmholtza. Ponadto cewki powietrzne przy takim samym wzbudzeniu (tzn. przy tej samej liczbie ampero-zwojów) dają mniejszą wartość amplitudy natężenia pola magnetycznego, w porównaniu, gdyby użyto tych samych cewek nawiniętych na rdzeniu ferrytowym. Układ ten wymaga również stosowania dwóch wzmacniacze mocy, co zwiększa koszt całego układu. Zastosowany analogowy przesuwnik fazy wytwarza przesunięcie fazy Δφ, którego wartość jest mniej dokładna, niż uzyskana w systemie cyfrowym.

Celem wynalazku jest opracowanie układu umożliwiającego uzyskanie stabilnego ratującego pola magnetycznego, o większym natężeniu pola magnetycznego niż w układzie 2-fazowym.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do generowania ratującego pola magnetycznego zawierające układ trzech par cewek nawiniętych na rdzeniach ferrytowych, których indukcyjności nie różnią się więcej niż 5%. Korzystnie gdy są one niemalże identyczne. W szereg z cewkami włączone są kondensatory.

W efekcie w środku układu rdzeni ferrytowych powstaje ratujące pole magnetyczne.

W celu zapewnienia prawidłowej pracy układu prądy płynące w poszczególnych gałęziach powinny mieć równe amplitudy i równe przesunięcia faz o 120°. Wymóg równości amplitud i przesunięcia faz nie jest bezwzględnie konieczny, ale brak zachowania tego warunku skutkuje pogorszeniem jakości uzyskiwanego pola.

Cewki o indukcyjności L nawinięte na rdzeniach ferrytowych połączone są z kondensatorami o tak dobranej pojemności elektrycznej C, aby wystąpił rezonans napięć przy częstotliwości rezonansowej /określonej wg klasycznego wzoru:

PL 230 206 Β1 ^r 2/r/2C(L ^Μ(Χ)) gdzie Μ(χ) do indukcyjność wzajemna cewek (w danej gałęzi) zależna od ich rozsunięcia (x).

Jako gałąź rozumiany jest układ dwóch naprzeciwległych cewek połączonych szeregowo z kondensatorem.

Impedancja każdej gałęzi osiąga wtedy minimalną wartość (ograniczona jest tylko rezystancją przewodów) co pozwala optymalnie dopasować ją do wzmacniacza mocy o niskiej impedancji wyjściowej.

Przez każdą taką gałąź przepływają prądy o równych amplitudach.

Sposób zasilania układu cewek może być realizowany w dwojaki sposób.

W pierwszym sposobie układ trzech gałęzi LC połączony jest poprzez odpowiednio sterowane klucze elektroniczne, dzięki czemu na każdej z gałęzi pojawia się przebieg napięciowej fali prostokątnej o przesuniętych fazach o 120°jak pokazano na figurze 2.

Z uwagi na selektywne właściwości gałęzi LC, prądy płynące przez te gałęzie mają przebieg fal sinusoidalnych jak pokazano na figurze 3.

W drugim sposobie układ trzech gałęzi LC jest zasilany z trzech wzmacniaczy sygnałów sinusoidalnych, których moc można regulować w zależności od potrzeb, wraz z dwoma przesuwnikami fazy: +120° i-120°.

Opisany sposób pozwala uzyskać ratujące pole magnetyczne o częstotliwości w granicach f = (20 kHz 1 MHz) i o natężeniu H = (0 + 100) kA m¹.

Jednak ze względu na zastosowania medyczne w hipertermii (aby uniknąć termoablacji) parametry te powinny spełniać warunek f · Η < 4,85-10⁸ A m¹ s¹ - zalecany w literaturze medycznej.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku gdzie:

Figura 2 przedstawia kształt napięciowych fal prostokątnych o odpowiednio przesuniętych fazach o 120°.

Figura 3 obrazuje przebiegi sinusoidalne prądów płynących przez poszczególne gałęzie układu.

Figura 4 przedstawia układ według wynalazku.

Figura 5 przedstawia układ według wynalazku w wariancie gdy służy bezpośrednio do nagrzewania próbek ferrocieczy.

Figura 6 przedstawia układ trzech gałęzi LC zasilany sygnałami sinusoidalnymi z trzech wzmacniaczy poprzez przesuwniki fazy: +120° i -120°.

Figura 7 przedstawia układ trzech gałęzi LC zasilany sygnałami prostokątnymi z kluczy elektronicznych.

Przedstawiony na figurze 4 układ według wynalazku zawiera trzy pary cewek (1,1’ 2,2’ 3,3’) nawiniętych na rdzenie ferrytowe (4,4’ 5,5’ 6,6’). Cewki (1,1’ 2,2’ 3,3’) za pośrednictwem kondensatorów (7, 8, 9) są połączone z zaciskami (10, 11, 12), do których dołączone jest źródło trzech sygnałów zasilających Ua Ub i Uc, o tej samej amplitudzie ale przesuniętych fazach względem siebie o 120°.

Wewnątrz układu cewek (1,1’ 2,2’ 3,3’) znajduje się obszar (13), w którym wytwarzane jest rotacyjne pole magnetyczne. Cewki (1,1’ 2,2’ 3,3’) są połączone ze sobą parami tworząc trzy pary (1,1’) (2,2’) i (3,3’).

Przedstawiony na figurze 5 układ według wynalazku zawiera trzy pary cewek (1,1’ 2,2’ 3,3’) nawiniętych na rdzenie ferrytowe (4,4’ 5,5’ 6,6’) które tworzą przestrzeń (13), w której umieszczony termostatyzujący płaszcz wodny (14) w którym umieszczona jest próbka ferrocieczy (16). Przestrzeń (13) ograniczona jest biegunami rdzeni ferrytowych (4,4’ 5,5’ 6,6’) i w niej występuje ratujące pole magnetyczne. Częstotliwość rotacji pola magnetycznego równa jest częstotliwości prądów płynących przez cewki a jego amplituda zależna jest od amplitudy prądów. Jeśli próbka z ferrocieczą zostanie umieszczona w ratującym polu magnetycznym to zacznie wydzielać się w niej energia cieplna. Płaszcz wodny (14) umożliwia ustalenie początkowej (żądanej) temperatury w procesie hipertermicznym.

Przedstawiony na figurze 6 układ według wynalazku zawiera trzy pary cewek (1,1’ 2,2’ 3,3’) nawiniętych na rdzenie ferrytowe (4,4’ 5,5’ 6,6’) i jest zasilany ze wzmacniaczy (16, 17, 18). Cewki (1,1’) są zasilane ze wzmacniacza (16), cewki (2, 2’) są zasilane ze wzmacniacza (17) zaś cewki (3, 3’) są zasilane ze wzmacniacza (18). Sygnały są generowane w generatorze (20) i poprzez wzmacniacze (16,17,18) są doprowadzane do zacisków (10, 11, 12), przy czym sygnał do wzmacniaczy (17 i 18) jest przesyłany z generatora poprzez przesuwniki fazowe (21, 22) dzięki czemu do poszczególnych par cewek doprowadzane są sygnały doprowadzone są sygnały o przesuniętych fazach.

PL 230 206 Β1

Przedstawiony na figurze 7 układ według wynalazku zawiera trzy pary cewek (1,1'2,2' 3,3') nawiniętych na rdzenie ferrytowe (4,4’ 5,5’ 6,6’) i jest zasilany z układu kluczy elektronicznych (23) przy czym na zaciskach występują sygnały prostokątne, z przesuniętymi fazami o +120° i +240°.

LITERATURA

1. A. Halbreich, Biomedical application of maghemite ferrofluid, Biochimie, 80, 379-390, (1998).

2. L.M. Lacroix, J. Carrey, M. Respaud, A frequency-adjustable electromagnet for hyperthermia measurements on magnetic nanoparticles, Review of scientific Instruments 79, 09309, 2008.

3. Gunnar Glóckl, The effect offield parameters, nanoparticle properties and immobilization on the specific heating power in magnetic particie hyperthermia, J. Phys.: Condens. Matter 18, (2006), S2935-S2949.

4. Milos Bekovic, Mladen Trlep, Marko Jesenik, Anton Hamler, A comparison ofthe heating effect of magnetic fluid between the alternating and rotating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 355, 12-17, 2014.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do generowania rotującego pola magnetycznego, znamienne tym, że zawiera układ trzech par cewek (1,1’ 2,2’ 3,3’) nawiniętych na rdzeniach ferrytowych(4,4’ 5,5’ 6,6’), których indukcyjności nie różnią się więcej niż 5%, zaś poszczególne pary cewek wraz z odpowiadającymi im kondensatorami (7, 8, 9) wraz z zaciskami (10, 11, 12) tworzą gałęzie układu, do których poprzez zaciski (10,11,12) są doprowadzane:

a) z układu kluczy elektronicznych (23) połączonych z zaciskami (10, 11,12) przy czym klucze generują sygnały prostokątne, z przesuniętymi fazami o +120° i +240°,

b) lub z układu elektronicznego zawierającego generator (20), trzy wzmacniacze (16,17,18) oraz dwa przesuwniki fazowe (21,22) połączone w taki sposób że jeden sygnał generowany w generatorze (20) poprzez wzmacniacz (16) jest bezpośrednio kierowany do zacisku zasilającego (10) zaś dwa sygnały generowane w generatorze (20) poprzez przesuwniki fazowe (21,22) są kierowane do wzmacniaczy (17, 18) i dalej do zacisków zasilających (11,12), sygnały zasilające Ua Ub i Uc o tej samej amplitudzie ale przesuniętych fazach-względem siebie o 120°.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że indukcyjność cewek (1,1’ 2,2’ 3,3’) jest równa.
3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 zawierające układ elektroniczny, znamienne tym, że w celu obrotu pola w kierunku zgodnym ze wskazówkami zegara przesuwniki fazowe (21,22) są tak skonfigurowane, że jeden z nich (21) przesuwa fazę sygnału generowanego w generatorze (20) o 120° a drugi (22) o 240°.
4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 zawierające układ elektroniczny, znamienne tym, że w celu obrotu pola w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara przesuwniki fazowe (21,22) są tak skonfigurowane, że jeden z nich (22) przesuwa fazę sygnału generowanego w generatorze (20) o 120° a drugi (21) o 240°.