用於介入治療立體定位的超導磁體系統的製作方法

2023-05-21 10:55:11 2

專利名稱：用於介入治療立體定位的超導磁體系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導磁體，特別涉及用於神經外科手術介入治療立體定位的超導磁體系統。
背景技術：
在常規的介入療法中，導管是通過人體表皮插入到動脈或靜脈中的，導管的運動是通過在導管的後端施加力來實現的，因此導管必須由很硬的材料製成，以保證在推進的過程中導管不會發生彎曲，但由於導管較硬，若所經路徑較為複雜則導管往往不能到達目的地。因此在某些人體的重要部位(如心臟，大腦)，常規的介入式療法充滿了挑戰性和複雜性，由於其操作很難控制，常常需要熟練的專家花費幾個小時的時間。因此提高介入療法的可操作性和提高定位精度是介入療法能否獲得更廣範應用的重要前題和保證。
無創性立體定向放射療法，是目前世界醫學界治療腫瘤的領先技術，具有療效好、準確、安全、無創傷、將患者痛苦減低至最小程度的特點。立體定向放射療法的精確度非常高。人工手術輕微的抖動範圍就可達到3-4毫米，高於立體定向放射誤差的10倍以上；普通放療通過單一平面來治療腫瘤，放射線劑量達到腫瘤致死量時，勢必嚴重損傷包圍腫瘤的正常組織；立體定向放射是將所有放射線集中在腫瘤組織上進行精確治療，對正常組織的損傷極其微小。另外，立體定向放療可以避免種植性轉移和血液轉移。人工手術在腫瘤切割及取出過程中，難以保證腫瘤組織細胞完全不脫落，容易把腫瘤種植在正常組織上而形成新的腫瘤。這就是醫學上常見的種植性轉移；另外腫瘤組織細胞也有可能在手術中通過血液轉移。立體定向放療則可避免這樣的轉移，同時避免手術引起的感染和併發症，以及因開刀給患者帶來的痛苦和風險。磁外科手術系統正是適應了上述的需要出現的。所謂磁外科手術系統指的是在計算機控制的三維磁場的作用下，在立體定向系統、成像系統的引導下，使得預先植入人體的小鐵磁珠按照規定的路徑運動，直接作用於患處或者引導各種手術器件(如介入式導管，放射性物質等)在人體內進行各類複雜的手術的方法。與傳統的手術方法相比，它具有的很多優點如創口小、病人痛苦少、無毒副作用、手術精度高，由於它可以在人體內某些重要部位進行十分精密的外科手術，還可以進行許多常規手術無法完成的手術。
目前用於磁外科手術的磁場由超導磁體提供。為了獲得較高的磁場實現空間定位和導入導管，現有技術採用六個螺線管線圈的對稱式磁體結構來產生磁場，其中每兩個線圈為一對，分別沿平面直角坐標系的一個軸線的方向平行放置，這樣六個線圈分成三組沿坐標系的三個坐標軸對稱分布。線圈採用低溫超導線NbTi/Cu。為了控制導管的運動和控制導管的移動方向，通過超導線圈的電流是隨時間快速地變化。低溫超導線NbTi/Cu具有較低臨界溫度和臨界磁場，因此電流變化引起的交流損耗將導致超導線圈的失超，這對於外科手術的執行是相當不利的。況且採用低溫超導材料NbTi的超導磁體，整個磁體線圈需要工作於液氦溫區，需要複雜的製冷系統，並在系統運行時經常補充液氦。一般是將超導磁體浸泡在低溫液體中。正是由於使用了低溫液體來冷卻超導磁體系統，使得超導磁體的結構複雜、運行成本高，系統操作極其困難。使用這樣的系統運行和操作是非常不利的。

發明內容
為了克服現有的外科手術用超導磁體系統結構複雜、運行成本高，系統操作不便的缺點，本發明提出一種新的外科手術用超導磁體系統，它採用高溫超導磁體，磁體系統運行在固態氮保護的低溫系統中。本發明不僅使用和操作更方便，系統運行更穩定，極大地減小了磁體失超的可能性；同時，本發明採用新的線圈結構使系統變得簡單，並使可利用的空間有較大的增加；採用制冷機傳導冷卻和外加固態氮保護系統使得低溫運行可靠。
本發明採用的技術方案是本發明超導磁體系統由高溫超導磁體、G-M制冷機、低溫杜瓦、失超保護裝置、程控電源構成。高溫超導磁體由三對超導螺管線圈組成，每一對超導螺管線圈由內外兩層主、次級超導線圈構成，兩層線圈重疊放置，其中外層線圈為主線圈，內層線圈為次級線圈，每一對線圈沿直角坐標系的一個軸線方向放置，三對線圈的軸線是相互垂直的，整個磁體形成非對稱式的開放式空間。
本發明在磁體周圍的空間充滿固態氮，固態氮將整個磁體包裹起來，固態氮和超導線圈與G-M制冷機的二級冷頭相連，通過二級冷頭來冷卻，在固態氮的外層為多層絕熱材料，防輻射屏位於多層絕熱材料的外面，將多層絕熱材料包裹起來，起到減小輻射漏熱的作用。其中多層防輻射屏與制冷機的一級冷頭相連，失超保護裝置安裝於防輻射屏上。在防輻射屏和低溫杜瓦之間充有液態氮，低溫杜瓦位於整個磁體的最外層，為開放式的球形結構，將整個磁體線圈、固態氮、絕熱材料層和防輻射屏、液態氮包圍起來；高溫超導電流引線置於多層防輻射屏和由主、次級線圈組成的超導線圈之間。整個低溫杜瓦上部開有三個與三對超導螺管線圈中心孔對應的觀察孔，下部為敞口的開放式半球形結構，便於手術的操作，同時可以減輕病人的幽蔽感。，由於磁外科手術系統在正常工作時電流需要經常進行調整，在某些情況下線圈中的電流變化律較高。由於超導材料的特性，當電流變化率超過一定值時超導線將會失超，如果將同一線圈分為內外兩層，就可以將一個較大的電流變化分解成兩部分，其中主線圈運行的電流較大，但變化幅值較小，而次級線圈的運行電流較小，變化幅度較大，這樣既能夠滿足系統運行的要求，又可以大大減小超導線失超的可能性。本發明的每一對線圈用來產生沿一個方向的磁場分量，單獨改變這一對線圈中的電流可以改變該線圈所產生磁場的大小和方向，因為工作區域為線性介質，磁場符合疊加定律，因此改變三對正交放置的線圈中的電流，通過沿三個方向磁場的相互疊加就能夠在空間中產生任意大小和方向的磁場。
本發明磁體的六個線圈分別與六個單獨的程控電源相連，程控電源輸出電流的大小和方向可以根據預先編制好的程序控制，通過電流大小、方向的變化來控制磁場的變化，手術區域位於上述三組線圈所包圍的開放區域中，利用植入人體的小磁珠與磁場的相互作用產生的電磁力來控制微型永磁塊的運動，由於微型永磁塊連接於介入手術導管的前端，通過微型永磁塊的運動可以引導介入手術導管在患者體內(如大腦動脈血管)沿著預先設定好的路徑運動，到達需要治療的患處後再進行局部藥物注射或放射治療等。
隨著製冷技術和超導技術的發展，傳導冷卻的超導磁體因其結構和低溫系統簡單，系統操作方便，無需低溫液體冷卻，不受液氦或其它低溫條件的限制，整個超導磁體系統具有結構緊湊和輕量化的特點。傳導冷卻的超導磁體系統的核心是採用制冷機直接冷卻的超導磁體，打破了超導磁體必須使用低溫液體冷卻的傳統冷卻方法。隨著高溫超導線材技術的發展，Bi系帶材在20-30K的溫度範圍內即使在較高的磁場下其電流密度仍可達到JC＝104-105A/cm2。在這種情況下用制冷機直接冷卻的高溫超導磁體具有較為重要的意義。在20K溫區運行的高溫超導磁體能夠充分利用20K溫區附近制冷機成熟的技術，同時又可充分利用高溫超導體的載流能力和超導帶材的高熱導、熱容，因此高溫超導磁體具有較高的穩定性。同時由於高溫超導材料具有較高的臨界溫度，所以基於高溫超導線材的磁體系統能夠承受較高的溫度波動，能夠在快速變化的電流條件下運行而不會發生失超。本發明中採用多絲Bi2223超導線材建造超導線圈，使超導線圈運行在20K的溫度，為了維持超導線圈的運行溫度，採用兩級GM制冷機提供低溫冷量，一級製冷頭冷卻低溫容器的輻射屏，二級冷頭和超導線圈相連接冷卻超導線圈。為了減小銅電流引線所帶來的漏熱較大的問題，本發明採用高溫超導電流引線，置於防輻射屏和超導磁體之間，既能給超導磁體供電又大大減小了系統的漏熱，提高了系統的穩定性。本發明還採用G-M制冷機的冷頭和超導線圈的低溫系統之間實行軟連接的方式以減小系統震動的影響。超導線圈使用固態氮保護技術以減小制冷機的工作時間並減小冷卻系統在手術期間對立體定位系統的影響。
本發明可以簡化外科手術用的磁體系統的結構和實現系統的穩定運行，同時還可極大減小系統運行費用，系統運行和操作，安裝更為方便可靠。


圖1a是本發明超導磁體系統的左視圖；1b是本發明超導磁體系統的前視圖；圖中11為磁體所包圍的開放區域的簡單示意。
圖2a、2b、2c是本發明超導磁體系統分別沿剖面線A-A、B-B，C-C所作的剖面圖；圖中1一級冷頭、2二級冷頭、3多層絕熱材料、4固態氮、5液態氮、6次級線圈、7主線圈、8低溫杜瓦、9G-M制冷機、10防輻射屏。
圖3為本發明超導線圈的結構圖。
圖4為三維的手術原理示意圖；圖中11虛擬的磁通線、12超導線圈(包括主線圈7和次級線圈6)、13患者頭部、14腦部血栓、15血管、16微型永磁塊。
圖5為高溫電流引線與失超保護安裝位置的簡單相對位置示意圖；圖中17失超保護裝置、18程控電源、19銅電流引線、20高溫超導電流引線。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1a，1b分別為本發明超導磁體系統外觀的左視圖和前視圖，圖b中11為該磁體系統所包圍的開放區域的示意圖，也就是進行腦外科手術的區域。
圖2a、2b、2c是本發明具體實施例分別沿剖面線A-A、B-B，C-C的剖面圖。如圖所示，本發明超導磁體系統的結構從內到外依次為超導線圈6、7，固態氮4，多層絕熱材料3，多層防輻射屏10，液態氮5，低溫杜瓦8。G-M制冷機9。充滿超導線圈6、7空間的固態氮4，將磁體整個包裹起來，固態氮4和超導線圈6、7與G-M制冷機的二級冷頭2相連，在固態氮4的外層從內到外依次為多層絕熱材料3和多層防輻射屏10，其中多層防輻射屏10與制冷機9的一級冷頭1相連，失超保護裝置17安裝於多層防輻射屏10上，高溫超導電流引線20置於多層防輻射屏10和超導線圈12之間，為超導線圈12供電，在多層防輻射屏10與低溫杜瓦8之間充滿了液氮，可以進一步提高超導磁體系統的穩定性，低溫杜瓦8位於整個磁體的最外層，杜瓦上部開有三個與三對超導螺管線圈中心孔對應的孔，下部開口，呈開放式的半球形結構，將整個磁體系統包圍起來，為其提供冷卻環境。
本發明通過制冷機9產生低溫環境，一級冷頭1產生製冷量冷卻低溫杜瓦8容器的熱輻射屏，二級冷頭2冷卻超導線圈6、7，多層絕熱3防止熱流從室溫環境到低溫環境，固態氮4用於保證超導線圈使其在電流變化時系統不會失超，液態氮5用於保護輻射屏的溫度不會升高，從而整個低溫系統保證超導線圈所要求的運行溫度為20K。
本發明由三對超導線圈組成，每對線圈又由內線圈6和外線圈7組成，他們的軸線在空間是相互垂直的，因此在空間產生三維磁場，磁場的大小和方向隨線圈中的電流而變化，每一線圈中的電流均由單獨的電源供電，按照事先編制好的程序控制電源的輸出電流，從而改變磁場的方向和大小，實現磁場和導引永磁塊的相互作用，最終實現磁外科介入式手術。
本發明所有的超導線圈和由線圈骨架、連接拉杆組成的支撐結構均放置在杜瓦8內，使得外界的熱量不能流入低溫系統的內部。低溫容器的上部是半球形。下部的開放空間是手術的操作區域。由於電磁力的相互作用，為了保持超導線圈的穩定運行，所有的超導線圈採用高純銅支持的骨架以保證線圈的相互位置不會發生移動，通過固態氮8提高超導磁體12的熱穩定性，最大限度的減小磁體失超的可能。
圖3是本發明具體實施例超導線圈採用Bi2223超導線，線圈的結構是螺管形的結構，它由內線圈6和外線圈7組成。
圖4是該裝置的工作原理示意圖。三對由主次兩層螺管線圈6、7組成的超導線圈12產生提供引導微型永磁塊16的外磁場，分別與磁體的六個線圈相連的六組程控電源18為磁體供電。在腦外科手術的操作過程中，先將患者頭部13放置於磁體所包圍的開放空間11中，在患者的頭部開一個小孔，放入微型永磁塊16，根據手術的需要，還可以在微型永磁塊16後面附著介入導管，在外磁場控制下將微型永磁體16通過血管15引導到患處，通過外界射頻電磁場加熱永磁體16，可消除動脈腫瘤或其它增生組織；另外，通過微型永磁體16高頻振動的方法也可以打通血栓14，恢復血管的正常功能。此外還可以通過微型永磁塊16後面的介入導管將化學或放療藥物局部作用於惡性腫瘤附近，以增強藥物的作用效果和降低對正常組織的損傷等等。待手術完成後，控制磁場將永磁體16和介入導管沿原來的路徑退出，從而實現治療和診斷。
圖5是該超導磁體系統高溫超導電流引線與失超保護安裝位置的簡單示意圖，失超保護裝置17安裝於多層防輻射屏10的內表面上，高溫超導電流引線20位於多層防輻射屏10與超導線圈12之間，為超導線圈12供電，採用高溫超導電流引線可以大大減小系統的漏熱，提高超導磁體系統的穩定性，高溫超導電流引線在防輻射屏10上與銅電流引線19相連，銅電流引線19的另一端與程控電源18相連接。該圖僅能簡單表示出上述部件的相對位置。
權利要求
1.一種用於介入治療立體定位的超導磁體系統，包括磁體線圈[6]、[7]、低溫杜瓦[8]、制冷機[9]、失超保護裝置[17]、程控電源[18]、防輻射屏[10]，其特徵在於磁體為由三對超導螺管線圈組成的高溫超導磁體，每對線圈沿直角坐標系的一個軸線方向放置；每對超導線圈由相互同軸的內、外兩層主、次級超導線圈[6]、[7]構成，兩層超導線圈重疊放置；線圈周圍的空間充滿固態氮[4]，固態氮[4]將線圈整個包裹起來；在固態氮[4]的外層從內到外依次為多層絕熱材料[3]和多層防輻射屏[10]，在防輻射屏[10]和絕熱材料層[3]外有液態氮[5]，低溫杜瓦[8]位於整個磁體的最外層，將整個磁體線圈[6]、[7]、固態氮[4]、防輻射屏[10]和絕熱材料層[3]、液態氮[5]包圍起來；六個超導線圈分別與六個單獨的程控電源相連接；失超保護裝置[17]安裝於多層防輻射屏[10]上，高溫超導電流引線[20]置於多層防輻射屏[10]和由主、次級線圈[6]、[7]組成的超導線圈[12]之間。
2.按照權利要求1所述的介入治療立體定位超導磁體系統，其特徵在於低溫杜瓦[8]為開放式球形結構，杜瓦上部開有三個與三對超導螺管線圈中心孔對應的孔，杜瓦下部還有一個供病人頭部進入的開口。
3.按照權利要求1或2所述的介入治療立體定位超導磁體系統，其特徵在於超導螺管線圈[6]、[7]採用Bi2223超導線繞制；
4.按照權利要求1至3的任何一項所述的用於介入治療立體定位超導磁體系統，其特徵在於磁體採用G-M或脈衝管制冷機冷卻，固態氮[4]和超導線圈[12]與G-M制冷機[9]的二級冷頭[2]相連，多層防輻射屏[10]與制冷機[9]的一級冷頭[1]相連。
全文摘要
一種適用於神經外科介入式手術用的超導磁體系統。主要包括高溫超導磁體、G－M制冷機、低溫杜瓦、失超保護裝置、程控電源。高溫超導磁體由三對超導螺管線圈組成，每一對超導螺管線圈由內外兩層超導線圈構成，兩層線圈重疊放置，每一對線圈沿直角坐標系的一個軸線方向放置，三對線圈的軸線相互垂直，整個磁體形成非對稱式的開放式空間。磁體系統運行在固態氮保護的低溫系統中。本發明不僅使用和操作更方便，系統運行更穩定，極大地減小了磁體失超的可能性；同時，本發明採用新的線圈結構使系統變得簡單，並使可利用的空間有較大的增加；採用制冷機傳導冷卻和外加固態氮保護使得系統在低溫下運行更加可靠。
文檔編號A61M36/00GK1745856SQ200410009528
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月9日 優先權日2004年9月9日
發明者王秋良, 白燁 申請人:中國科學院電工研究所