一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米测试技术领域，具体涉及一种基于磁纳米的实时非侵入式温度测 量方法。
【背景技术】
[0002] 近几年，由于纳米温度计在工程技术和生物医学领域具有很大的应用潜力而得到 广泛的研究。比如，利用纳米温度计检测半导体器件、微纳米级电路的温度分布以便监测器 件的工作性能。磁纳米温度测量方法用磁纳米粒子作为温度敏感元件是一种新型的实时的 远程非侵入式温度测量方法。由于它的尺寸在微纳米级别，因此它具有传统温度计不可替 代的优势。特别在肿瘤热疗中，在射频磁场激励下由于磁纳米粒子的弛豫、磁滞等现象，可 使肿瘤组织升温到43°C以杀死癌细胞，但是当温度超过46°C时正常组织细胞将被大范围地 杀死。为了不损伤正常的细胞组织，利用磁纳米粒子的温敏特性有望实现肿瘤热疗过程中 温度的实时监测和控制。
[0003] 利用磁纳米粒子作为温度敏感元件的纳米温度计具有远程、非侵入式、实时的特 点。2009年美国的J. B .Weaver等人利用磁纳米粒子交流磁化强度的五次谐波与三次谐波或 四次谐波与二次谐波幅值比实现了磁纳米温度测量技术，但这两种方法并没有提出具体的 温度测量模型。2012年刘文中等人基于朗之万磁化模型，在DC、AC或三角波磁场激励下利用 磁纳米粒子的磁化响应或磁化率实现了磁纳米非侵入式温度测量。这些温度测量技术，为 活体内温度的实时监测和控制提供了解决思路。
[0004] 在现有的磁纳米温度测量上，本发明提出了一种新的利用磁纳米粒子偶次谐波幅 值加权之和与奇次谐波幅值之和的比值实现实时的非侵入式温度测量方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于磁纳米粒子的实时的非侵 入式温度测量方法，旨在实现微纳米或活体环境下的温度测量。
[0006] -种磁纳米实时非侵入式温度测量方法，包括如下步骤：
[0007] (1)将磁纳米试剂置放于待测位置；
[0008] (2)对磁纳米试剂所在位置施加交流和直流激励磁场；
[0009] (3)采集磁纳米粒子的交流磁化强度，检测磁纳米粒子的各次谐波幅值；
[0010] (4)根据下式求解待测位置处的温度T，
其中，
为饱和磁 矩，D为磁纳米粒子粒径，Ms为饱和磁化强度，k为玻尔兹曼常数，Hdc为直流磁场幅值，而ξ根 据等式
来计算，其中匕_表示偶次谐波幅值加权之和，Fcidd表示奇次谐 波幅值加权之和，Ho为交流磁场幅值，1/和L〃分别为朗之万函数的一阶导数与二阶导数。
[0011]进一步地，所述步骤(3)采用数字相敏检波算法检测磁纳米粒子交流磁化强度各 次谐波幅值。
[0012] 进一步地，所述步骤(4)中ξ根据等式
来计算具体为：
[0013] 对磁纳米粒子同时施加交流和直流磁场激励时，用朗之万函数描述磁纳米粒子磁 化强度：
[0015]其中，Φ为磁纳米粒子的浓度，L为朗之万函数，ω为交流磁场角频率。由于线圈的 微分作用，灵敏度为-K的线圈测量信号可表示为：
[0017]对上式进行泰勒展开，可得奇次谐波幅值之和为
[0019]同时，可得偶次谐波幅值加权之和为
[0021 ]其中，A2n-I为第2n-1次谐波的幅值，A2n为第2η次谐波幅值，η = 1，2，3…，N为谐波个 数，实际使用中其取值由磁纳米粒子、噪声水平等因素决定。利用二者的比值可得等式
[0023] 求解上式可得ξ，从而进一步由
计算得到温度Τ。可以看出该方法消除了 测量线圈灵敏度以及磁纳米粒子浓度对温度求解的影响。
[0024]本发明的技术效果体现在：
[0025] 本发明的主要创新在于对单一粒径磁纳米粒子的奇次谐波幅值之和与偶次谐波 幅值加权之和提出了精确的数学模型，并利用磁纳米粒子磁化响应的偶次谐波幅值加权之 和与奇次谐波幅值之和的比值求解待测位置的温度，且该方法有效地消除了磁纳米粒子浓 度、测量线圈灵敏度等因素的影响，为微纳米或活体内部等环境提供了新的实时的非侵入 式温度测量方法。
[0026] 当对磁纳米粒子同时施加交流磁场和直流磁场时，采集磁纳米粒子的磁化响应， 并利用数字相敏检波方法提取磁纳米粒子各次谐波幅值。最后利用偶次谐波幅值加权之和 与奇次谐波幅值之和的比值求解待测位置的温度。
[0027] 总而言之，本发明的创新之处在于提供了一种新的可用于微纳米或活体内部等复 杂环境中的实时的非侵入式温度测量方法。
【附图说明】：
[0028]图1为本发明磁纳米实时非侵入式温度测量方法流程图；
[0029]图2为不同粒径（15,20,25nm)磁纳米粒子在信噪比60dB下仿真的温度误差（ΔΤ) 以及温度误差标准差(ST)示意图；
[0030] 图3为不同信噪比（40,60,80dB)下，20nm磁纳米粒子的温度误差以及温度误差标 准差示意图；
[0031] 图4为交流磁场15GS，频率117Hz，直流磁场35GS下，磁纳米温度测量实验结果示意 图；
[0032]图5为交流磁场15Gs，频率117Hz，直流磁场35Gs下，磁纳米温度测量实验的温度误 差示意图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0034]如图1所示，本发明提供了一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法，包括如下步 骤：
[0035] (1)将磁纳米试剂置放于待测位置；
[0036]将适量表面已修饰的磁纳米粒子注入(利用人体或动物血液循环使磁纳米粒子到 达待测处)或放置在待测位置。
[0037] (2)对磁纳米试剂所在位置施加交流和直流激励磁场；
[0038] 利用亥姆霍兹线圈或螺线管产生交流和直流磁场激励磁纳米粒子。其中，交流磁 场的频率一般低于IkHz以避免磁纳米粒子弛豫对温度测量精度的影响，交流磁场幅值几十 到几百高斯。直流磁场幅值一般在几十高斯左右，其取值与所用磁纳米粒子有关。同时，由 于直流磁场太大会导致磁纳米粒子谐波幅值变小不利于测量，因此直流磁场幅值选取对温 度求解精度有一定的影响。
[0039] (3)采集磁纳米粒子的交流磁化强度，检测磁纳米粒子的各次谐波幅值；
[0040] 利用探测线圈测量磁纳米粒子的交流磁化强度，经过放大电路、滤波器处理，再由 数据采集卡将数据采入电脑，并利用数字相敏检波方法提取磁纳米粒子的各次谐波幅值。
[0041] (4)根据下式求解待测位置处的温度T，
其中，
为饱和磁 矩，D为磁纳米粒子粒径，Ms为饱和磁化强度，k为玻尔兹曼常数，出。为直流磁场幅值，而ξ根 据等式
来计算，其中Fe3ve^PFcidd分别表示偶次谐波与奇次谐波幅值加 权之和，Ho为交流磁场幅值，1/和L〃分别为朗之万函数的一阶导数与二阶导数；
[0042] 将提取出来的谐波幅值分为奇次和偶次谐波，并分别计算出偶次谐波幅值加权之 和与奇次谐波幅值之和，并将二者的比值带入等式
利用二分法等算 法求解参数ξ，进一步利用
求解出温度T。
[0043] 仿真实例1:
[0044] 仿真模型与测试说明：
[0045] 为了研究本发明方法的有效性，在交流磁场幅值15.5Gs，频率IOOHz，直流磁场幅 值35Gs，磁纳米粒子饱和磁化强度477kA/m，粒径15,20,25腦，浓度2.5\10 17，以及信噪比 60dB的情况下进行了数值仿真，仿真结果如图2。同时，在不同的信噪比40、60以及80dB，磁 纳米粒径20nm的情况下进了仿真以便研究本发明方法的抗噪能力，仿真结果如图3。
[0046] 仿真试验结果：
[0047] 图2反映了采用不同粒径磁纳米粒子的温度测量误差，可以发现磁纳米粒子粒径 大于20nm具有较好的温度测量精度，温度误差标准差小于0.1K。
[0048]图3反映了不同信噪比下粒径为20nm的磁纳米粒子的温度测量误差，可发现在信 噪比达到60dB时，本发明方法具有较好的温度测量精度，温度误差标准差小于0.1K。
[0049] 实际实验数据分析：
[0050] 1.利用亥姆霍兹线圈同时产生交流(频率为117Hz，幅值为15GS)和直流（幅值为 35Gs)磁场激励试管中的磁纳米粒子，并利用探测线圈检测磁纳米粒子的交流磁化响应，各 温度点采样时间为Is以实现实时温度测量。提取磁纳米粒子的各次谐波幅值，并将偶次谐 波幅值加权和与奇次谐波幅值之和的比值带入温度测量模型中求解温度，实验结果如图4。
[0051] 图5反映在实际实验中磁纳米实时非侵入式温度测量方法的温度测量误差小于 0.2K，且温度误差标准差小于0.1 K。
[0052]因此，本发明提出的磁纳米实时非侵入式温度测量方法的精度、稳定性以及重复 性是有保证的。为微纳米、活体内部等复杂环境下完成精密实时的温度非侵入式测量提供 了可靠的方法。
【主权项】
1. 一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将磁纳米试剂置放于待测位置； (2) 对磁纳米试剂所在位置同时施加交流和直流激励磁场； (3) 采集磁纳米粒子的交流磁化强度，检测磁纳米粒子的各次谐波幅值； (4) 根据下式求解待测位置处的温度T，·，其中为饱和磁矩，D为 磁纳米粒子粒径，Ms为饱和磁化强度，k为玻尔兹曼常数，Hd。为直流磁场幅值，ξ根据等式?来计算，其中？_"表示偶次谐波幅值加权之和，Fodd表示奇次谐波幅值 加权之和，Ho为交流磁场幅值，1/和L〃分别为朗之万函数的一阶导数与二阶导数。2. 根据权利要求1所述的磁纳米实时非侵入式温度测量方法，其特征在于，所述步骤 (3)采用数字相敏检波算法检测磁纳米粒子交流磁化强度各次谐波幅值。3. 根据权利要求1或2所述的磁纳米实时非侵入式温度测量方法，其特征在于，所述步 骤(4)中ξ根据等式-来计算具体为： 对磁纳米粒子同时施加交流和直流磁场激励时，用朗之万函数描述磁纳米粒子磁化强 度：其中，Φ为磁纳米粒子的浓度，L为朗之万函数，ω为交流磁场角频率；由于线圈的微分 作用，灵敏度为-Κ的线圈测量信号表示为：对上式进行泰勒展开，得奇次谐波幅值之和为偶次谐波幅值加权之和为其中，Α2η-1为第2η-1次谐波的幅值，Α2η为第2η次谐波幅值，η = 1，2，3···，Ν为谐波个数， 利用Feven与Fodd的比值可得等式： 求解上式可得ξ。
【专利摘要】本发明公开一种基于磁纳米粒子的实时的非侵入式温度测量方法，其主要创新在于提出了磁纳米粒子在交直流磁场激励下奇次谐波、偶次谐波幅值加权和的数学模型，并利用二者之比建立磁纳米温度测量模型。同时施加交流磁场和直流磁场，检测磁纳米粒子的磁化响应；提取磁纳米粒子各次谐波幅值，分别计算奇次谐波与偶次谐波的幅值加权和；利用偶次谐波与奇次谐波幅值加权和之比求解温度。从实验数据来看，该磁纳米实时、非侵入式温度测量方法的温度误差小于0.2K。
【IPC分类】A61B5/01
【公开号】CN105433912
【申请号】CN201510755888
【发明人】刘文中, 皮仕强, 周铭, 肖华
【申请人】华中科技大学, 武汉金智维科技有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月9日