[发明专利]一种高频激励磁场中磁纳米粒子测温的谐波幅值-温度方法

说明书

本发明提出了一种高频激励磁场中磁纳米粒子测温的谐波幅值‑温度方法，其步骤为：利用Fokker‑Planck方程与Langevin方程拟合谐波幅值补偿函数，进而构建高频激励磁场中磁纳米温度测量谐波幅值‑温度模型；将磁纳米样品在高频激励磁场下的谐波幅值和相位信息带入构建的谐波幅值‑温度模型，求出磁纳米样品温度信息。本发明实现了高频激励磁场中磁纳米实时测温，解决了磁纳米温度测量方法仅适用于低频激励磁场而无法应用到高频磁场的难题，有助于提高磁纳米粒子时效性和可行性；可用于改善工业领域中大功率集成器件和医疗领域中热疗面临的高频磁场激励下的磁纳米温度测量精度较低的难题。

技术领域

本发明涉及非侵入式温度测量的技术领域，尤其涉及一种高频激励磁场中磁纳米粒子测温的谐波幅值-温度方法，解决了磁纳米温度测量或磁纳米成像技术不适用于高频激励的瓶颈，拓展了磁纳米温度测量的应用领域和范围。

背景技术

磁纳米粒子已被广泛应用于工业领域以及生物医学领域，其中磁纳米粒子介导的高温疗法是一种新型的癌症治疗方法，它基于肿瘤组织与正常组织之间的耐热性差异，通过物理方法局部加热杀死癌细胞，肿瘤热疗的窗口温度为315K-319K(42℃-46℃)。磁纳米粒子的无创性和靶向性已成为研究人员越来越关注的焦点，是肿瘤治疗方法中的关键问题，然而温度是影响磁纳米粒子疗效的关键因素。准确控制组织温度非常重要，这直接影响癌症热疗的效果。磁纳米粒子测温法是一种新颖的使用磁纳米粒子进行非侵入式无创温度测量工具，通过温度敏感性和磁纳米粒子的磁化响应的非线性特征来测量温度。J.B.Weaver等人通过实验验证了磁化曲线的非线性，并使用拟合参数初步计算了温度信息。刘文中等人研究了直流激励磁场下磁纳米粒子温度测量的理论模型，为磁纳米粒子温度测量技术的发展奠定了基础。

通常磁纳米粒子测温的理论模型基于Langevin方程，而Langevin方程的温度模型仅适用于低频磁场(通常小于1kHz)，该方程假设了在低频交流激励磁场下不受弛豫影响，描述了磁纳米粒子的静态磁化强度，然而通过激励磁场加热磁性纳米颗粒的频率高达100kHz。而且实际应用中，弛豫(包括布朗弛豫和尼尔弛豫)总是存在于交流激励磁场下的磁纳米粒子中。Langevin方程不能准确地描述磁纳米粒子的动态磁化响应，仅适用于近似静态或静态磁化响应中，这也是磁纳米粒子测温在高频激励下测温应用的技术瓶颈。通常使磁纳米粒子的交流激励磁场的频率小于1kHz时假设为准静态磁化，而暴露在交流磁场中，特别是激励磁场频率较高时，磁纳米粒子的磁化会受到旋转弛豫的影响(尼尔弛豫在磁纳米粒子中起主要作用)，并且存在磁化响应谐波的相位滞后。因此，Langevin方程无法准确描述高频激励磁场中磁纳米粒子的交流磁化强度。

发明内容

针对高频激励磁场下磁纳米温度难以测量的技术瓶颈，高频磁场激励下的弛豫现象对于磁化响应谐波幅值信息的影响，Fokker-Planck方程可准确地描述交流磁化动力学(主要由尼尔旋转弛豫)但无法构建谐波模型，而Langevin方程可构建谐波模型，但不适应高频激励磁场的技术问题，本发明提出一种高频激励磁场中磁纳米粒子测温的谐波幅值-温度方法，通过分析Fokker-Planck方程和Langevin方程之间的交流磁化差异，根据受尼尔弛豫影响的磁化响应谐波幅值和相位滞后对激励磁场强度的依赖性，建立一个简单的经验谐波模型，进而提出了在高频激励磁场中尼尔弛豫作用下磁纳米粒子测温的谐波幅值-温度模型；本发明使高频交流激励磁场中实现温度测量的方法成为可能，克服了只能在低频激励磁场中使用磁纳米温度测量的限制，有望实现工业、医疗等领域高精度实时测温的要求，开拓磁纳米测温和磁纳米成像的测量范围并提高测量精度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种高频激励磁场中磁纳米粒子测温的谐波幅值-温度方法，其步骤为：

步骤一：搭建高频激励磁场的高频测温系统，将磁纳米粒子样品放置在高频测温系统中；

步骤二：通过高频测温系统中的磁化响应信息检测装置测量磁纳米粒子样品的磁化响应信息；