一种基于图像分析测定磁性纳米材料磁矩参数的方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新的基于图像处理结合动力学分析从而进行磁性纳米材料磁矩 测量的方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，磁性纳米材料作为一种特殊的磁性材料，以其磁学性质而广泛应用于生 物医学研究中。它的尺寸范围可从几纳米到几百纳米，并且与某些生物体拥有相似的尺寸， 比如细胞（10-100μπι)，病毒（20-450μL?)，蛋白（5-50μL?)，所以，将磁性纳米粒子表面进 行特异性修饰后，可以靶向的与对应的微生物体结合，能够达到治疗诊断的目的。另外，由 于磁性纳米材料具有磁性，能够通过外加磁场控制它的运动，它已被应用于肿瘤细胞的药 物靶向治疗。再次，基于磁性纳米颗粒在交变磁场的作用下会产生磁热效应，可以将其用于 磁热治疗，磁热疗作为化疗和放疗的辅助疗法，可通过适当升温提高对肿瘤细胞的杀伤率， 所以磁性纳米粒子在肿瘤的早期诊断与治疗中具有重要的应用价值。磁性微纳材料已在 生命科学以及生物医学的发展中展现出广泛的应用前景，因而对其磁学性质的测定尤为重 要。
[0003] 磁性纳米粒子广泛应用于各个领域，磁性粒子的磁学性质在应用中起到了重要的 作用，成为制备磁性纳米粒子的重要参数。目前，实验中用于测量测性纳米粒子磁学性质的 方法主要有：磁天平法、振动样品磁强计（VSM)法、磁光克尔效应法、超导量子干涉磁强计 (SQUID)法。这些方法能够测量的磁学参数有很多，比如磁化强度、磁化率、磁滞回线、磁化 曲线、剩余磁化强度、矫顽力等。而磁矩是磁性材料最基本的磁学参数，很多磁强计测量原 理就是先测出样品的磁矩，再转换为其他参数。材料所受磁矩与体积之比可以得到磁化强 度，能够反映材料被磁化程度。通过测量磁性纳米材料磁化强度与磁场之间的关系，可以得 到磁化曲线。磁场从正向最大值逐渐减小，再反向增大至最大值，然后逆向重复前两步骤， 可以得到材料的磁滞回线。它包含了材料的剩余磁化强度、矫顽力等磁性参数。综上，测量 磁性纳米材料的磁矩对于研究其磁学性质具有重要意义。
[0004] 磁性纳米材料在医学上的应用都是基于磁性纳米颗粒的集体磁学性质，而不是单 一粒子的性质，所以研究磁性纳米粒子的集体磁学性质尤为重要。在一般情况下，通常是将 磁性材料的集体磁矩看作是单位磁性材料磁矩的矢量和，所以在标定材料的磁矩时，是将 定量的测性材料磁矩换算成单位质量或体积的材料磁矩。在现今的科学研究中，主要应用 振动样品磁强计（VSM)和磁天平方法来标定磁性纳米颗粒的磁学参数，同样，这两种方法 均是取定量材料测量磁矩再换算成单位质量或体积的磁矩。然而，VSM方法中样品处于不 断振动的状态，会破坏磁性纳米粒子之间的磁偶极作用，使得测量值小于真实值。并且在测 量样品时会选择已测量样品作为标定，测量具有一定的局限性。目前对于测量处于运动状 态下的磁性纳米颗粒胶体液滴集体磁学性质的研究还较少。
[0005] 本发明提出一种结合数字图像处理的方法，由磁性颗粒在梯度磁场作用下的运动 理论为基础，考虑磁性纳米粒子间的磁偶极作用，通过图像记录磁性纳米颗粒胶体液滴在 磁场下的运动，得到液滴在运动过程中速度与加速度的变化，计算磁性纳米颗粒胶体液滴 总磁矩的变化，从而反映磁性纳米材料的磁学参数。现有技术中横向测量需要保证样品管 中的有机溶液密度和待测磁性纳米材料密度一样，才能使磁性纳米材料悬浮在样品管中 央，不受到管壁的摩擦力，对于密度不同的磁性纳米材料需要调配密度不同的有机溶液，不 便于测量，也容易产生误差。
【发明内容】
[0006] 技术问题：本发明的目的在于提出一种基于图像处理结合动力学分析从而进行磁 性纳米材料磁矩测量的方法及其装置。通过研究磁性粒子在梯度磁场作用下的运动，探究 磁性粒子的磁矩大小的变化，以此作为评价磁性粒子性质的方法。磁性粒子在磁场下的受 力与它的磁矩大小有关，通过记录磁性粒子在磁场作用下的运动过程，经过图像处理计算 出粒子的速度与加速度变化，从而得到磁性粒子的受力的变化，最终用所受磁力大小计算 出粒子的磁矩大小。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种基于图像分析测定磁性纳米材料磁矩参数的方法，将定量的磁性纳米液滴滴 入密封的装有有机液体的样品管中，之后将样品管竖直放入竖直梯度磁场中并录像记录下 磁性纳米液滴运动的轨迹，通过数字图像处理得到考虑重力影响的磁性纳米液滴的运动速 度曲线与加速度曲线，从而计算得到磁性纳米液滴的磁矩曲线。
[0009] 所述数字图像处理包括如下步骤：
[0010] (1)读取录像的视频文件第一帧的图像；
[0011] (2)判断图像中是否有运动的磁性纳米液滴；如果是，提取磁性纳米液滴的轮廓， 计算并记录该轮廓的几何中心坐标并转入步骤（3);否则直接转入步骤（3);
[0012] (3)判断当前图像是否最后一帧图像，如果是，根据记录的所有运动的磁性纳米液 滴的坐标，计算出磁性纳米液滴的运动轨迹并转入步骤（4);否则读取下一帧图像并返回 步骤⑵；
[0013] (4)根据运动轨迹计算得到磁性纳米液滴运动的速度曲线和加速度曲线，并据此 计算磁矩曲线。
[0014] 所述判断图像中是否有运动的磁性纳米液滴包括如下步骤：
[0015] (1)取视频文件的第一帧图像作为背景图像，其后每一帧图像均与背景图像相减， 将得到的所有小于〇的像素点值置为〇,计算并记录每一帧图像与背景图像相减得到的所 有像素点值的和；
[0016] (2)根据步骤（1)记录的每一帧图像与背景图像相减得到的所有像素点值的和， 计算出这个和的平均值作为判断是否有运动的磁性纳米液滴的阈值；
[0017] (3)将当前图像与背景图像相减，将所有小于0的像素点值置为0,计算所有像素 点值的和，并与步骤（2)得到的阈值相比，若大于阈值，则当前图像中有运动的磁性纳米液 滴；若小于，则当前图像中无运动的磁性纳米液滴。
[0018] 所述磁性纳米液滴的磁矩为
[0019]
[0020] 其中，mp为磁性纳米液滴的质量；vp为磁性纳米液滴的运动速度；η为有机液体的 粘滞系数；dp为磁性纳米液滴的直径；μ。= 4πX10 7Ν/Α2为磁性常数;Μ为磁性纳米液滴 的磁化强度；Η为磁场强度。
[0021 ] 所述梯度磁场的磁场大小和磁场梯度由ANSYS软件模拟得到。
[0022] 所述梯度磁场在后半段变化均匀且梯度较大，使磁性纳米液滴在该磁场影响下的 运动速度变化较大。
[0023] 所述定量的磁性纳米液滴为1 μ 1~5 μ 1。
[0024] 所述有机液体为液体石蜡，密度与磁性纳米液滴相同。
[0025] 一种基于图像分析测定磁性纳米材料磁矩参数的装置，包括用于产生竖直方向梯 度磁场的电磁铁、供磁性纳米液滴运动的样品管、用于录像的CCD相机以及用于数字图像 处理的电脑；
[0026] 所述电磁铁具有空气隙，所述电磁铁通电之后在所述空气隙内产生竖直方向的梯 度磁场；所述磁性纳米液滴放置在所述样品管内；所述样品管内装有与磁性纳米液滴互不 相溶的有机溶液，并密封固定在所述电磁铁的空气隙中；所述电脑与所述CCD相机连接。
[0027] 所述电磁铁的磁芯形状U型；所述U型磁芯两端相对；一端为平面截面，另一端为 尖?而截面。
[0028]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明基于动力学与图像处理技术 的新方法能够测量磁性纳米颗粒胶体液滴在运动过程中的磁矩变化，更符合生物医学应用 的场景。这种方法所需仪器简易，降低了成本，操作简单，得出结果的速度快，针对磁性纳米 溶液的测量，相比于现有的磁强计，它具有有一定的优势。同时本方法所测量的磁学参数与 其磁热效应的相关性高，说明本发明在反映磁性材料集体磁学性质的优越性，这是现有的 一些测量方法所不能达到的。
[0029]另外，本发明就之前的方法相比将横向测量改为了垂直测量，则可以用统一的有 机溶液如石蜡，保证磁性纳米材料在运动的过程中不受到管壁的影响；同时设计了新的磁 场，磁性纳米液滴在该磁场影响下的运动速度变化较大，由于本发明的计算方法在粘滞阻 力的计算上做了一定简化，在磁力较大的情况下可以忽略粘滞阻力计算误差带来的总体误 差；同时线性变化的磁场可以使磁性纳米液滴受到的磁力为一个线性变化的曲线，比起不 规律的磁场，减少了计算的复杂程度，这样的计算结果也更加精确。而且垂直测量考虑了重 力的影响，测量结果也更加精确。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的整体结构示意图。
[0031] 图2为本发明中磁场磁芯的形状尺寸图。
[0032] 图3为本发明中磁场的磁感应强度分布图和曲线图。
[0033] 图4为本发明中的磁矩计算流程图。
[0034]图5为本发明中判断当前图像中是否有运动液滴的方法流程图。
[0035]图6为本发明中判断是否有运动液滴的阈值的计算方法流程图。
[0036] 图7为本发明中磁矩计算结果有效区域示意图。
[0037] 图中：1、U型铁氧体磁芯，2、线圈，3、电源，4、样品管，5、液体石蜡溶液，6、待测样 品液球，7、(XD相机，8、摄像机支架，9、数据线，10、电脑。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0039] 如图1所示，本发明包括产生梯度磁场的电磁铁，供磁性液滴运动的样品管，影像 采