Indukční ohřev magnetických nanočástic pro hypertermii

Abstract

Cílem této práce bylo vytvoření numerického modelu systému pro indukční ohřev roztoku magnetických nanočástic, kterým byl vyplněn balónek umístěný do mozkové tkáně, a simulace ohřevu mozkové tkáně tímto balónkem. Ohřev balónku s roztokem nanočástic by se měl v budoucnu uplatnit při termobrachyterapii. Systém je tvořen cívkou, umístěnou okolo hlavy pacienta, která vytváří střídavé magnetické pole o frekvenci 100 kHz s maximální intenzitou magnetického pole uvnitř hlavy 5,7 kA/m. Model byl vytvořen v programu COMSOL Multiphysics(R). Tento program také umožňuje simulaci magnetického pole i ohřevu roztoku nanočástic. Byly vytvořeny dva typy balónku (jednoplášťový balónek homogenně vyplněný roztokem nanočástic a dvouplášťový balónek, ve kterém se roztok nanočástic nacházel ve vrstvě mezi plášti) o různých velikostech, které byly umístěny do dvou různých lokací v lidské hlavě. Parametry roztoku nanočástic byly převzaty z literatury. Byl vytvořen systém, který generuje magnetické pole s maximální intenzitou uprostřed hlavy 5,79 kA/m. Použitá cívka byla tvořena 12 závity a napájena střídavým proudem s amplitudou 175 A. Byla provedena simulace ohřevu mozkové tkáně pomocí všech typů balónků. Na základě provedených simulací bylo zjištěno, že žádný z balónků nezajišťuje dostatečné prohřátí 5mm vrstvy tkáně okolo balónku (minimální teplota je 40 °C). Pro ohřev se více hodil dvouplášťový balónek. Dále byla určena ideální tloušťka vrstvy s roztokem nanočástic pro všechny velikosti balónku, při které by ztrátový výkon absorbovaný roztokem nanočástic byl největší. Byl popsán vliv hodnot reálné a imaginární části komplexní permeability na velikost ztrátového výkonu.

The aim of this work was to create a numerical model of a system for inductive heating of a solution of magnetic nanoparticles, with which was filled a balloon placed in the brain tissue, and simulation of heating of brain tissue with this balloon. Heating of balloon with nanoparticle solution should be used in the future for thermobrachytherapy. The system consists of a coil placed around the patient's head, which produces a 100 kHz alternating magnetic field with a maximum magnetic field intensity of 5.7 kA/m. The model was created in COMSOL Multiphysics(R). This program also allows simulation of magnetic field and heating of nanoparticle solution. Two types of balloon (a single-shell balloon filled with a nanoparticle solution and a double-shell balloon in which the nanoparticle solution was in a layer between the shells) of different sizes were placed in two different locations in the human head. The nanoparticle solution parameters were taken from the literature. A created system generates a magnetic field with a maximum intensity of 5.79 kA/m in the center of the head. The used coil consists of twelve threads and is powered by alternating current with amplitude 175 A. A simulation of brain tissue heating was performed using all types of balloons. Based on the simulations, none of the balloons did reached the sufficient warming of the 5mm layer of tissue around the balloon (minimum temperature is 40 °C). A double-shell balloon was more suitable for heating. The ideal layer thickness of the nanoparticle solution at which the loss of power absorbed by the nanoparticle solution would be greatest was determined for all balloon sizes. The influence of the values of the real and imaginary part of the complex permeability on the loss power was described.