PL237437B1

PL237437B1 - Urządzenie do wytwarzania rotującego pola magnetycznego

Info

Publication number: PL237437B1
Application number: PL427311A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Skumiel
Original assignee: Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2018-10-06
Filing date: 2018-10-06
Publication date: 2021-04-19
Also published as: PL427311A1

Abstract

Urządzenie do generowania rotującego pola magnetycznego charakteryzuje się tym, że zawiera układ dwóch par cewek (1, 1', 2, 2') nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (3, 3', 4, 4'), których indukcyjności nie różnią się więcej niż 1%, zaś poszczególne pary cewek wraz z odpowiadającymi im kondensatorami (5, 6) i z łączami (7, 8) tworzą gałęzie układu, do których poprzez łącza (7, 8) doprowadzane są sygnały zasilające (UA i UB), a ponadto zawiera klucze elektroniczne (A1 i A2) oraz (B1 i B2) połączone z układem sterującym przebiegów okresowych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego, wysokiej częstotliwości, które może być wykorzystywane m.in. przy zabiegach wspomagających w walce z guzami onkologicznymi, metodą magnetycznej hipertermii.

Działanie lecznicze polega na podgrzaniu za pomocą zewnętrznego zmiennego pola magnetycznego obszaru ciała objętego guzem do temperatury, przy której komórki nowotworowe ulegają zniszczeniu, jako że są one mniej odporne na przegrzanie niż komórki zdrowe [1], Pole magnetyczne może z łatwością przenikać ciało chorego, lecz, aby wywołać w określonym obszarze wydzielanie energii cieplnej należy uprzednio wprowadzić w okolicę tkanek nowotworowych ciecz magnetyczną zawierającą nanoczątki magnetyczne o rozmiarach kilkunastu nanometrów. Pobudzenie tych nanocząstek zewnętrznym polem wywołuje ich przemagnesowanie, co skutkuje wydzielaniem ciepła i wzrostem temperatury guza.

Mechanizm uwalniania energii cieplnej przez nanocząstki magnetyczne kosztem zewnętrznego pola magnetycznego odbywa się głównie w wyniku magnetycznej relaksacji i zjawisko to jest szeroko opisywane w literaturze naukowej. Moc cieplna [2] wydzielana w trakcie tego procesu jest proporcjonalna do częstotliwości i do kwadratu amplitudy natężenia pola magnetycznego ~/-H².

Dotychczasowa, powszechnie stosowana metoda generacji zmiennego pola magnetycznego wykorzystuje cewkę powietrzną podłączoną do generatora mocy sygnału sinusoidalnego.

We wnętrzu cewki występuje wówczas przestrzeń z oscylującym polem magnetycznym wzdłuż osi cewki [2], Inny sposób generacji oscylującego pola magnetycznego polega na zastosowaniu rdzenia ferrytowego [3], który skupia pole magnetyczne.

Z kolei w artykule [4] pojawił się opis generacji rotującego pola magnetycznego, w którym wektor pola zmienia kierunek -wiruje w przestrzeni. Układ ten oparty był na zastosowaniu systemu dwóch par powietrznych cewek Holmholtza usytuowanych wzajemnie pod kątem prostym, z których każda para zasilana była z osobnego wzmacniacza mocy, a różnica faz tych sygnałów sinusoidalnych wynosiła 90°. Wadą tego rozwiązania była konieczność użycia dwóch wzmacniaczy mocy, co zwiększało koszt aparatury, a także analogowy przesuwnik fazy o mniejszej stabilności w porównaniu z układami cyfrowymi.

W polskim patencie PL 230206 opisano urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego zawierające trzy odrębne obwody magnetyczne z rdzeniami ferrytowymi ustawione w przestrzeni o 120°, a ich strumienie magnetyczne przesunięte są w fazie wzajemnie o 120° .

Te obwody magnetyczne wg tego rozwiązania są zasilane sygnałami sinusoidalnymi ze wzmacniaczy lub prostokątnymi z układu kluczy elektronicznych.

W rozwiązaniu tym wartość strumieni magnetycznych może być nierównomierna co może powodować zaburzeniami stałości wirującego pola magnetycznego w przestrzeni użytkowej.

Celem przedstawionego wynalazku jest opracowanie układu generującego stabilne ratujące pole magnetyczne.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do generowania rotującego pola magnetycznego zawierające układ dwóch par cewek nawiniętych na rdzeniach ferrytowych, o indukcyjnościach nie różniących się więcej niż 1%, przy czym dokładne dostrojenie układu do rezonansu (napięć) dokonuje się poprzez przesuw cewek względem rdzeni. W szereg z cewkami włączone są kondensatory oraz układ sterujący w postaci generatora 2-kanałowego lub dwóch zsynchronizowanych generatorów przebiegów okresowych, korzystnie prostokątnych oraz układu zasilania. Przy czym dla osiągnięcia określonej częstotliwości rezonansowej, stosowane kondensatory i cewki powinny być tak dobrane aby częstotliwość rezonansowa /rez spełniała warunek opisany wzorem (1) i przyjmowała wartość 10 kHz-H500 kHz, czyli wartość częstotliwości pola magnetycznego stosowanego w zabiegach klinicznych.

Cewki o indukcyjności L nawinięte na rdzeniach ferrytowych połączone są szeregowo z kondensatorami o pojemności elektrycznej C, przy czym częstotliwość rezonansowa napięć /rez takiego obwodu określona jest wzorem:

frez = , ¹ (1)

2π 2C(l+M(x)) gdzie M(x) to indukcyjność wzajemna cewek w danej gałęzi zależna od ich rozsunięcia x.

Układ zasilania połączony jest z kluczami elektronicznymi poszczególnych gałęzi (cewek i kondensatorów) za pośrednictwem regulatorów napięć.

PL 237 437 B1

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

Impedancja każdej gałęzi osiąga przy częstotliwości rezonansowej minimalną wartość, ograniczoną tylko rezystancją przewodów, co pozwala optymalnie dopasować ją do wzmacniacza mocy o niskiej impedancji wyjściowej.

W celu zapewnienia prawidłowej pracy układu prądy płynące w obu gałęziach powinny mieć równe amplitudy i przesunięcie faz 90° dzięki czemu uzyskuje się stałą w czasie chwilową wartości rotującego wektora natężenia pola magnetycznego będącego wypadkową sumą geometryczną składowych pochodzących z obu gałęzi.

W układzie przedstawionym na rysunku na figurze 3 gałąź składająca się z cewek 2 i 2’ oraz z kondensatora 6 połączona jest do sterowanych kluczy elektronicznych Bi i B2.

Gałąź złożona z cewek 1 i 1’ oraz z kondensatora 5 połączona z sterowanymi kluczami elektronicznymi Ai i A2.

Dzięki temu na każdej z gałęzi pojawia się przebieg napięciowy fali prostokątnej, a przesunięcie faz między tymi przebiegami wynosi 90° jak pokazano na figurze 2.

Z uwagi na filtrujące właściwości gałęzi LC, prądy płynące przez te gałęzie mają przebiegi sinusoidalne.

W celu utrzymania obu strumieni magnetycznych ^a i ^b płynących w poszczególnych gałęziach na równym poziomie stosuje się niezależne zasilanie kluczy (Ai, A2) gałęzi A oraz kluczy (Bi i B2) gałęzi B z odrębnych regulatorów napięć Ua i Ub.

Opisany sposób pozwala uzyskać ratujące pole magnetyczne o częstotliwości w zakresie f = (10 kHz-500 kHz) i o natężeniu H = (0 - 50) kA-m^-1. Zakres tych parametrów w pełni pokrywa potrzeby zastosowań medycznych, które nie powinny jednak przekraczać warunku f-H < 4,85-10⁸ A-m^-1-s^-1, zalecanego w literaturze fachowej ze względu na występowanie szkodliwego zjawiska termoablacji.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku gdzie:

Figura 1 przedstawia kształt napięciowych dwóch fal prostokątnych o odpowiednio przesuniętych fazach o 90°.

Figura 2 obrazuje przebiegi sygnałów sterujących kluczami B1, B2, A1 i A2 przy czym przesunięcie fazy między sygnałami (B1, B2) i (A1, A2) wynosi ^/2=90°.

Figura 3 przedstawia przykładowe urządzenie według wynalazku.

Przedstawiony na figurze 3 układ według wynalazku zawiera dwie pary cewek (1,1’ 2, 2’) nawiniętych na rdzenie ferrytowe (3,3’4, 4’). Cewki (1,1’ 2, 2’) za pośrednictwem kondensatorów (5, 6) są połączone z łączami (7, 8) między elementami szeregowymi z kluczami A1, A2, oraz analogicznie z kluczami B1 i B2 do których dołączone są dwa źródła zasilające napięć stałych Ua i Ub.

Sygnały zasilające Ua i Ub są doprowadzone do regulatorów napięcia (9, 9’) zasilanych z zasilacza napięcia stałego (10). Z kluczami A1 i A2, oraz kluczami B1 i B2 połączony jest sterujący generator dwukanałowy (11).

Wewnątrz układu cewek (1,1’ 2, 2’) znajduje się obszar (12), w którym wytwarzane jest rotacyjne pole magnetyczne.

Na figurze 3 przedstawiono również strumień magnetyczny ^a (13) płynący w rdzeniach (3 i 3’) w obwodzie A, oraz strumień magnetyczny o; (14) płynący w rdzeniach (4 i 4’) w obwodzie B. Przy czym na figurze przedstawiono je w danym momencie fazy. Po zmianie fazy o 180° kierunek pola magnetycznego jest odwrócony.

LITERATURA

1. S. Dutz, R. Hergt, Magnetic particie hyperthermia - a promising tumor therapy?, Nanotechnology. 25 (2014) 452001.

2. R. E. Rosensweig, Heating magnetic fluid with alternating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, (2002) 370-374.

3. L. M. Lacroix, J. Carrey, M. Respaud, A frequency-adjustable electromagnet for hyperthermia 115 measurements on magnetic nanoparticles, Review of scientific instruments 79, 09309, 2008.

4. Milos Bekovic, Mladen Trlep, Marko Jesenik, Anton Hamler, A comparison of the 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 dwóch par cewek (1, 1’ 2, 2’) nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (3, 3’, 4, 4’), których indukcyjności nie różnią się więcej niż 1%, zaś poszczególne pary cewek wraz z odpowiadającymi im kondensatorami (5, 6) i z łączami (7, 8) tworzą gałęzie układu, do których poprzez łącza (7, 8) doprowadzane są sygnały zasilające Ua i Ub, a ponadto zawiera klucze elektroniczne Ai i A2 oraz Bi i B2 połączone z układem sterującym przebiegów okresowych.
2. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że indukcyjność cewek (1, 1’, 2, 2’) jest równa.
3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 znamienne tym, że układem sterującym przebiegów okresowych jest generator 2-kanałowy.
4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 znamienne tym, że układem sterującym przebiegów okresowych jest układ dwóch zsynchronizowanych generatorów.
5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 znamienne tym, że zawiera regulatory napięcia (9, 9’) połączone z łączami (7, 8) poprzez sterowane klucze elektroniczne Ai i A2 oraz Bi i B2.