基于多居里温度热源的血管周围磁感应热疗中温度控制的仿真与实验研究

《Journal of Thermal Biology》：Simulation and Experimental Study on Temperature Control in Perivascular Magnetic Induction Hyperthermia Based on Multi-Curie-Temperature Thermal Seeds

针对肝脏肿瘤磁热疗中血管散热导致的温度分布不均问题，本研究提出采用双居里温度磁性介质分区控制策略。通过构建包含Y型血管网络的多物理场耦合模型并经体外实验验证，发现该策略能有效实现肿瘤核心（71.7°C）精准消融，同时保持周围血管区安全温度（38.5°C）及肿瘤边缘有效热疗（43°C）。研究表明磁场强度是主导温度升高的关键因素，为高血供肿瘤精准热疗提供理论依据。

　　

李卓扬|叶彦勇|傅欣|李静|雷岩

华南理工大学，广州，510000，中国

摘要：

为了解决肝脏肿瘤磁热疗中由于血管冷却导致的温度分布不均问题，本研究提出了一种基于具有不同居里温度（66°C和75°C）的磁性介质的临床导向区域控制策略。通过构建一个具有Y形血管结构的肝脏肿瘤的多物理场耦合模型，并通过体外组织实验验证了该模型的有效性，我们模拟了在交变磁场下的温度场分布。此外，我们分析了血流速度、血管分叉角度和血管直径对周围组织温度的影响。结果表明，这种策略能够在肿瘤核心实现精确的热消融（最高可达71.7°C），同时保持血管周围区域的安全温度（约38.5°C），并在肿瘤边缘实现有效的热疗（43°C）。研究证实，磁场强度对温度升高的影响大于频率。这种方法为开发针对高度血管化肿瘤的靶向和安全热疗提供了理论和实验基础，克服了血管散热的挑战。

引言

磁热疗（MIH）是一种新兴的肿瘤治疗方法，它利用外部交变磁场（AMF）加热植入肿瘤区域的磁性材料，从而诱导局部热消融（Liu等人，2015；Oei等人，2015；Zhang等人，2008；Zhang，2003；Zhang和Lu，2024b）。这种方法可以促进肿瘤细胞的凋亡和坏死，同时保护周围的健康组织（Doppegieter等人，2024；Effat等人，2023；Xiao等人，2010），在靶向性和安全性方面优于传统的热疗技术，如微波、射频和超声波疗法（He等人，2024；Jiangang和Binbin，2017；Limin等人，2017）。

研究表明，肿瘤细胞的热损伤大约在42°C开始（Zou等人，2023），而有效的消融发生在60°C到100°C之间（Deng等人，2022；Geoghegan等人，2022）。超过100°C时，组织可能会发生碳化（Zhang和Nan，2024）。近年来，MIH已在体外、临床前和临床应用中得到验证，显示出其在精确和可控肿瘤消融方面的潜力（Molaei，2024；Moroz等人，2002；Vicentini等人，2024；Wang，2018；Wu等人，2015）。例如，有研究报道在特定磁场条件下树突细胞的死亡率很高（Asín等人，2012）。动物实验进一步证实，这项技术显著抑制了兔肝细胞和食管癌细胞的增殖（Jones等人，2002；Liu等人，2013）。在大鼠肉瘤模型中，该技术不仅实现了有效的消融，还增强了免疫反应（Luo和Junming，2014）。此外，Yu等人（Yu等人，2022）使用磁性骨水泥治疗兔骨肿瘤，显著延长了携带肿瘤的动物的生存期。在临床转化方面，磁热疗也显示出了良好的前景：在小规模治疗中观察到脑肿瘤和前列腺癌患者的完全缓解病例（Kida等人，1990；Tucker等人，2002）。此外，当与放疗结合用于胶质母细胞瘤治疗时，这项技术表现出良好的肿瘤控制效果和患者耐受性（Maier-Hauff等人，2007）。特别是在肝细胞癌（HCC）中，由于其深部组织穿透能力，MIH具有很高的前景。最近使用纳米结构剂（例如，核壳纳米立方体（Wang等人，2025）、铁钒氧化物（Tang等人，2024）、层状双氢氧化物（Han等人，2024）、液态金属微球（Yang等人，2023）等进展进一步提高了热效率，并引入了协同的免疫治疗效果。

然而，将这一前景转化为可靠的临床实践面临两个相互关联的挑战，这些挑战在高度血管化的肿瘤（如HCC）中尤为突出。首先，实现空间上差异化的治疗温度分布本质上是困难的。临床目标要求将消融热量（60–100°C）传递到肿瘤核心，同时在边缘保持安全的热疗水平（约43°C），并保护对温度敏感的血管周围区域。其次，血管化组织中血液流动的普遍“热沉”效应会破坏均匀加热，导致温度分布不均（Gheflati和Naghavi，2020；Wang等人，2022；Zhang等人，2021）。这种冷却效应受到血液动力学（Ke等人，2022；Kolios等人，1995）和几何因素（Abdulrasool等人，2023）、分叉形态（Yue等人，2014；Zhu等人，2024）的显著影响，尤其是在高度血管化的肝脏肿瘤中，直接影响治疗效果（Ansari和Singh，2025；Brinck和Werner，1995；J W，1994；Khanafer等人，2007；Suleman和Riaz，2020）。尽管数值模型对于规划和预测结果至关重要（Raouf等人，2020），但现有的热疗模拟模型（Heng等人，2022；Hilger等人，2000；Kumar和Srivastava，2016；Li等人，2019；Wang等人，2016a；Wang等人，2016b；Xu等人，2019；Zhuo等人，2014）通常缺乏精确模拟空间可控热源或充分考虑复杂血管结构的能力，因此无法实现所需的温度控制水平。

因此，为了解决MIH技术中的温度控制核心挑战，我们提出了一种基于多居里温度热种子的区域温度控制策略。这里以Fe₈₃Zr₁₀B₇合金系统为例（Li等人，2023），利用铁磁材料的自调节特性，即达到居里温度后停止加热，从而实现区域温度限制（Carter等人，2021；Gunakala等人，2023；Zhang和Lu，2024a）。这项工作的主要目的是验证这种空间控制策略的有效性，以有效消除肿瘤细胞，同时最小化对健康组织的损伤。为了在以血管冷却为主的生理相关背景下验证这一策略，我们构建了一个包含Y形血管网络的肿瘤多物理场模型。该模型主要用于验证上述区域温度控制策略的有效性，并定量评估血流速度、血管直径和分叉角度对温度分布的影响。

因此，本研究旨在为高度血管化的肝脏肿瘤的磁热疗中的区域温度控制提供可行性参考。其目标是同时确保肿瘤核心的消融、血管周围的安全性以及在肿瘤边缘的有效热疗，从而为优化治疗计划和提高治疗精度奠定基础。

部分摘录

体外肝脏组织验证实验

为了验证所提出的多物理场耦合模型的准确性，在数值复现的条件下进行了比较性的体外组织实验，获得了多种操作场景下的验证数据集。表1详细列出了本研究中使用的实验仪器和材料及其制造商提供的相应技术规格。

图1(a)显示了体外实验设置。为了最小化交流电的影响

体外组织实验与数值模拟结果的比较分析

图3显示，在五种实验条件下，体外实验和数值模拟之间的温度响应趋势高度一致，随着磁场强度和频率的增加，稳态温度也在升高（磁场强度的影响更为明显）。定量分析证实了这一点：所有15个监测点中的平均相对误差低于5%，13个点的均方根误差（RMSE）< 2.0 °C

局限性

本研究为区域温度控制提供了参考，但其临床应用仍面临多个挑战。首先，该方法依赖于将热种子精确植入预定义的肿瘤区域——这是一个尚未解决的技术挑战，迫切需要进一步研究图像引导的精确植入技术。其次，侵入性的植入过程可能导致组织损伤和感染风险

结论

本研究建立了一个磁热流耦合模型，并通过体外实验进行了验证。主要发现总结如下：

• 1.
  一种区域温度控制策略。我们提出了一种使用具有不同居里温度（66°C和75°C）的磁性介质植入特定肿瘤区域的治疗方法。该策略旨在减轻血管热沉效应，从而在肿瘤核心实现消融温度（最高可达71.7°C），在血管周围区域保持安全温度

CRediT作者贡献声明

李卓扬：撰写 – 原始草稿，调查，数据管理。叶彦勇：软件。傅欣：撰写 – 审阅与编辑。雷岩：撰写 – 审阅与编辑，概念化。李静：撰写 – 审阅与编辑，方法学，概念化

未引用的参考文献

J W, 1994; Luo, 2014.

数据可用性声明

数据已作为补充材料上传。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。