一種三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下基于磁納米粒子 磁化強(qiáng)度的溫度測(cè)量方法，尤其適用于活體內(nèi)溫度測(cè)量。 技術(shù)背景
[0002] 溫度是國(guó)際單位制規(guī)定的七個(gè)基本單位量之一，也是自然界中物質(zhì)最基本的物理 量之一。溫度的測(cè)量對(duì)認(rèn)知自然界中物質(zhì)的本質(zhì)具有重要的意義。磁納米溫度測(cè)量方法， 是一種全新的、無(wú)創(chuàng)的和非侵入式的溫度測(cè)量方法。它主要通過(guò)測(cè)量磁納米粒子的磁化強(qiáng) 度，通過(guò)一定的模型關(guān)系反演計(jì)算出溫度信息。磁納米粒子溫度測(cè)量方法非侵入特性，使得 其在特殊環(huán)境下，如活體深處和其他密閉空間內(nèi)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 活體深處和其他密閉空間的溫度測(cè)量仍然是一個(gè)世界性難題，它嚴(yán)重阻礙了腫瘤 熱療和藥物運(yùn)輸?shù)壬镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展。腫瘤熱療技術(shù)是一種無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)的、被 譽(yù)為"綠色療法"的腫瘤治療手術(shù)。其主要利用活體正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞可耐受溫度的差 異性，來(lái)治療腫瘤。而藥物運(yùn)輸，主要是利用載有藥物的多聚體包覆的磁納米粒子，通過(guò)射 頻加熱實(shí)現(xiàn)藥物的定點(diǎn)定位定量釋放。在此過(guò)程中，測(cè)量和控制磁納米粒子的溫度對(duì)于藥 物的定點(diǎn)定位定量釋放至關(guān)重要。遺憾的是，目前，雖然通常環(huán)境下溫度(場(chǎng))的測(cè)量技術(shù)具 有高精度高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，已經(jīng)非常成熟，如熱電阻等；而特殊環(huán)境下如活體深處，溫度的 測(cè)量技術(shù)，仍然發(fā)展緩慢。活體內(nèi)溫度測(cè)量技術(shù)的困難，主要在于活體的特殊環(huán)境以及其安 全性要求，使得現(xiàn)有的接觸式和非接觸式的溫度測(cè)量都是都無(wú)法適用。由此可知，活體內(nèi)溫 度測(cè)量技術(shù)的突破，將會(huì)給相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來(lái)一次技術(shù)革命。因此，活體內(nèi)高精度高 實(shí)時(shí)性的溫度測(cè)量技術(shù)仍然是個(gè)世界性難題。
[0004] 有關(guān)磁性測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，為解決活體內(nèi)精密實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量這一世界難題帶來(lái) 曙光。近年來(lái)，磁共振測(cè)溫學(xué)的發(fā)展為進(jìn)行活體內(nèi)的溫度測(cè)量技術(shù)提供了一種可靠的方案。 2008年，Warren等人利用磁共振中內(nèi)部分子的相干性實(shí)現(xiàn)高精度的溫度成像技術(shù)，對(duì)研究 腫瘤熱療和藥物運(yùn)輸具有重要的意義。此外，2009年J.B.Weaver利用磁納米粒子交流磁 化強(qiáng)度的三次諧波和五次諧波幅值比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)磁納米溫度測(cè)量技術(shù)。同時(shí)，2012 年劉文中基于郎之萬(wàn)函數(shù)模型，通過(guò)理論模型的推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用磁納米粒子直流磁 化率實(shí)現(xiàn)磁納米粒子的精密溫度測(cè)量技術(shù)。此后，通過(guò)仿真研究，利用磁納米粒子的交流磁 化率完成磁納米粒子溫度測(cè)量技術(shù)的理論模型研究。這些研究為實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)精密的非侵 入式的溫度測(cè)量技術(shù)提供鋪墊。然而，由于缺乏完善的理論模型研究和充分的實(shí)驗(yàn)研究，磁 納米溫度測(cè)量技術(shù)尚未成熟，尤其是實(shí)時(shí)精密的溫度測(cè)量技術(shù)更是缺乏足夠的理論和實(shí)驗(yàn) 研究。因此，實(shí)現(xiàn)非侵入式的實(shí)時(shí)精密的溫度測(cè)量技術(shù)，仍然生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域函需解決的問(wèn) 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁 納米溫度測(cè)量方法，其目的在于實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)實(shí)時(shí)精密地溫度測(cè)量。
[0006] -種三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法，具體為：
[0007] ( 1)將磁納米樣品放置于待測(cè)對(duì)象處；
[0008] (2)在磁納米樣品所在區(qū)域施加三角波激勵(lì)磁場(chǎng)；
[0009] (3)檢測(cè)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線和磁納米粒子樣品的磁化強(qiáng)度-時(shí)間曲線；
[0010] (4)依據(jù)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線和磁化強(qiáng)度曲線-時(shí)間得到磁納米粒子磁化 曲線即激勵(lì)磁場(chǎng)-磁化強(qiáng)度曲線，對(duì)磁場(chǎng)-磁化強(qiáng)度曲線采樣獲得激勵(lì)磁場(chǎng)Hi下磁納米粒 子樣品的磁化強(qiáng)度Mi,i= 1，…，n，n為采樣點(diǎn)總數(shù)；
[0011] (5)以激勵(lì)磁場(chǎng)Hi作為輸入，磁化強(qiáng)度Mi作為輸出，激勵(lì)磁場(chǎng)與磁化強(qiáng)度間的關(guān)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法，具體為： (1) 將磁納米樣品放置于待測(cè)對(duì)象處； (2) 在磁納米樣品所在區(qū)域施加三角波激勵(lì)磁場(chǎng)； (3) 檢測(cè)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線和磁納米粒子樣品的磁化強(qiáng)度-時(shí)間曲線； (4) 對(duì)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線和磁化強(qiáng)度-時(shí)間曲線采樣，獲得激勵(lì)磁場(chǎng)Hi下磁 納米粒子樣品的磁化強(qiáng)度M i, i = 1，…，η，η為采樣點(diǎn)總數(shù)； (5) 以激勵(lì)磁場(chǎng)Hi作為輸入，磁化強(qiáng)度Mi作為輸出，激勵(lì)磁場(chǎng)與磁化強(qiáng)度間的關(guān)系式
=為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行曲線擬合從而確定待測(cè)對(duì)象溫度Τ， 其中，N為磁納米樣品的濃度，Ms是磁納米粒子的有效磁矩，k是玻爾茲曼常數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法，其特征在于，所 述步驟（4)的具體實(shí)現(xiàn)方式為： (41) 在三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線和磁化強(qiáng)度-時(shí)間曲線中分別選取多個(gè)連續(xù)周期的 曲線段； (42) 對(duì)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線的多個(gè)連續(xù)周期曲線段進(jìn)行周期疊加平均，得到三 角波激勵(lì)磁場(chǎng)單位周期曲線段；對(duì)磁化強(qiáng)度-時(shí)間曲線的多個(gè)連續(xù)周期曲線段進(jìn)行周期疊 加平均，得到磁化強(qiáng)度單位周期曲線段； (43) 按照如下相同方式分別對(duì)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)和磁化強(qiáng)度單位周期曲線段對(duì)折均值 處理，得到三角波激勵(lì)磁場(chǎng)數(shù)組Hi和磁化強(qiáng)度數(shù)組M i ; 將單位周期曲線段分為第一零值到波峰、第一波峰到第二零值、第二零值到波谷以及 波谷到第三零值四段曲線； 對(duì)第一零值到波峰間曲線段的采樣點(diǎn)順序排列組成第一采樣點(diǎn)集合； 對(duì)波峰到第二零值間曲線段的采樣點(diǎn)順序排列組成第二采樣點(diǎn)集合； 將第一與第二采樣點(diǎn)集合中各點(diǎn)一一順序?qū)?yīng)求取Y軸均值得到第一中間均值點(diǎn)數(shù) 組； 對(duì)第二零值到波谷間的曲線段采樣點(diǎn)順序排列組成第三采樣點(diǎn)集合； 對(duì)波谷到第三零值間的曲線段采樣點(diǎn)順序排列組成第四采樣點(diǎn)集合； 將第三與第四采樣點(diǎn)集合各點(diǎn)一一順序?qū)?yīng)求取Y軸均值得到第二中間均值數(shù)組； 將第一中間均值數(shù)組的各數(shù)值與第二中間均值數(shù)組中各數(shù)值絕對(duì)值順序--對(duì)應(yīng)求 取均值，最終得到有效表征單周期內(nèi)零值與波峰間變化趨勢(shì)的三角波激勵(lì)磁場(chǎng)數(shù)組Hi或磁 化強(qiáng)度數(shù)組Mi。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法，其特征在于，所 述步驟（42)還對(duì)所述三角波激勵(lì)磁場(chǎng)和磁化強(qiáng)度單位周期曲線段進(jìn)行如下方式的平滑處 理，具體為：將單位周期曲線段上第1點(diǎn)的Y軸值更新為第1~N個(gè)點(diǎn)的均值，第2點(diǎn)的Y軸 值更新為第N+1~2N個(gè)點(diǎn)的均值，第3點(diǎn)的Y軸值更新為第2N+1~3N個(gè)點(diǎn)的均值，……， 以此類推，一直到整個(gè)單位周期曲線段完成Y軸值更新。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法，其特征 在于，所述步驟（5)具體為： 將激勵(lì)磁場(chǎng)采樣數(shù)組（H1, H2，…，Hn)和樣品磁化強(qiáng)度采樣數(shù)組（M1, M2，…，Mn)作為 輸入，代入郎之萬(wàn)函f
.誤差值α = |5||2最小為目標(biāo)，求取變量&和13的最佳值<和13%其中，3=4 1，62^"611]'
萇樣點(diǎn)數(shù)目，coth ()為雙曲余切函數(shù),上標(biāo)T 表示轉(zhuǎn)置； 依據(jù)變量b的最佳值b#計(jì)算溫度Γ = 。 D K
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米粒子測(cè)溫方法，其特征 在于，所述三角波激勵(lì)磁場(chǎng)的頻率取值范圍在〇. 5Hz - 100Hz，所述的三角波激勵(lì)磁場(chǎng)幅值 取值范圍在IOGs - lOOOGs。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三角波激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁納米溫度測(cè)量方法，屬于納米測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。該方法具體為：（1）將磁納米樣品放置于待測(cè)對(duì)象處；（2）在磁納米樣品所在區(qū)域施加三角波激勵(lì)磁場(chǎng)；（3）檢測(cè)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)-時(shí)間曲線和磁納米粒子樣品的磁化強(qiáng)度-時(shí)間曲線；（4）依據(jù)三角波激勵(lì)磁場(chǎng)曲線和磁化強(qiáng)度曲線得到磁納米粒子磁化曲線即激勵(lì)磁場(chǎng)-磁化強(qiáng)度曲線，對(duì)該曲線采樣獲得激勵(lì)磁場(chǎng)Hi下磁納米粒子樣品的磁化強(qiáng)度Mi；（5）以激勵(lì)磁場(chǎng)Hi作為輸入，磁化強(qiáng)度Mi作為輸出，激勵(lì)磁場(chǎng)與磁化強(qiáng)度間的關(guān)系式作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行曲線擬合從而確定待測(cè)對(duì)象溫度。本發(fā)明是基于磁納米粒子直流磁場(chǎng)下的溫度測(cè)量模型的，使用三角波激勵(lì)磁場(chǎng)，快速獲得磁納米粒子的磁化曲線，配合以反演算法，實(shí)現(xiàn)基于磁納米粒子的實(shí)時(shí)精密的溫度測(cè)量。
【IPC分類】A61B5-01
【公開(kāi)號(hào)】CN104644138
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310646058
【發(fā)明人】劉文中, 鐘景, 蔣玲, 楊明, 周銘
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年12月4日
【公告號(hào)】WO2015081585A1