CN105433912B - 一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法 - Google Patents
一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105433912B CN105433912B CN201510755888.4A CN201510755888A CN105433912B CN 105433912 B CN105433912 B CN 105433912B CN 201510755888 A CN201510755888 A CN 201510755888A CN 105433912 B CN105433912 B CN 105433912B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetic
- amplitude
- harmonic
- temperature measurement
- real
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 claims description 54
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 claims description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000009699 differential effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 206010020843 Hyperthermia Diseases 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 241000985595 Ploceus baglafecht Species 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000036031 hyperthermia Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000015 thermotherapy Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
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。
Description
技术领域
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
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℃以杀死癌细胞，但是当温度超过46℃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。
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。
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
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。
一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法，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，Hdc为直流磁场幅值，而ξ根据等式来计算，其中Feven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，H0为交流磁场幅值，L′和L″分别为朗之万函数的一阶导数与二阶导数。
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。
进一步地，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-K的线圈测量信号可表示为：
对上式进行泰勒展开，可得奇次谐波幅值之和为
同时，可得偶次谐波幅值加权之和为
其中，A2n-1为第2n-1次谐波的幅值，A2n为第2n次谐波幅值，n＝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
求解上式可得ξ，从而进一步由计算得到温度T。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。
本发明的技术效果体现在：
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。
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。
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：
图1为本发明磁纳米实时非侵入式温度测量方法流程图；
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(ΔT)以及温度误差标准差(δT)示意图；
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；
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；
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
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。
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：
(1)将磁纳米试剂置放于待测位置；
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。
(2)对磁纳米试剂所在位置施加交流和直流激励磁场；
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1kHz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。
(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；
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。
(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Feven和Fodd分别表示偶次谐波与奇次谐波幅值加权之和，H0为交流磁场幅值，L′和L″分别为朗之万函数的一阶导数与二阶导数；
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。
仿真实例1：
仿真模型与测试说明：
为了研究本发明方法的有效性，在交流磁场幅值15.5Gs，频率100Hz，直流磁场幅值35Gs，磁纳米粒子饱和磁化强度477kA/m，粒径15，20，25nm，浓度2.5×1017，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。
仿真试验结果：
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。
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。
实际实验数据分析：
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1s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。
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0.1K。
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。
Claims (3)
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)对磁纳米试剂所在位置同时施加交流和直流激励磁场；
(2)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；
(3)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，ξ根据等式来计算，其中Feven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，H0为交流磁场幅值，L′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(2)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(3)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-K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，A2n-1为第2n-1次谐波的幅值，A2n为第2n次谐波幅值，n＝1,2,3…，N为谐波个数，利用Feven与Fodd的比值可得等式：
求解上式可得ξ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510755888.4A CN105433912B (zh) | 2015-11-09 | 2015-11-09 | 一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510755888.4A CN105433912B (zh) | 2015-11-09 | 2015-11-09 | 一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105433912A CN105433912A (zh) | 2016-03-30 |
| CN105433912B true CN105433912B (zh) | 2019-01-22 |
Family
ID=55544879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510755888.4A Active CN105433912B (zh) | 2015-11-09 | 2015-11-09 | 一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105433912B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105953939B (zh) * | 2016-06-07 | 2019-06-11 | 郑州轻工业学院 | 一种混频磁场激励下的磁纳米温度测量方法及系统 |
| CN106137519B (zh) * | 2016-06-24 | 2018-07-06 | 郑州轻工业学院 | 一种基于有效弛豫时间的磁纳米温度测量方法 |
| CN106419857B (zh) * | 2016-11-14 | 2018-06-29 | 郑州轻工业学院 | 一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法 |
| CN109157198B (zh) * | 2018-07-18 | 2021-01-29 | 郑州轻工业学院 | 一种基于磁纳米粒子的机械扫描式二维温度成像方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8426932B2 (en) * | 2007-07-17 | 2013-04-23 | Kwj Engineering Inc. | Apparatus and method for microfabricated multi-dimensional sensors and sensing systems |
| CN102156006B (zh) * | 2011-03-08 | 2012-06-13 | 华中科技大学 | 基于顺磁特性的磁纳米粒子远程温度测量方法 |
| CN103156581B (zh) * | 2013-03-01 | 2014-10-29 | 华中科技大学 | 基于磁纳米粒子交流磁化强度的在体温度测量方法及系统 |
| CN103892809B (zh) * | 2014-04-01 | 2016-02-24 | 华中科技大学 | 一种磁纳米温度成像方法及系统 |
| CN104316213B (zh) * | 2014-10-24 | 2017-06-20 | 华中科技大学 | 一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法 |
-
2015
- 2015-11-09 CN CN201510755888.4A patent/CN105433912B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105433912A (zh) | 2016-03-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103156581B (zh) | 基于磁纳米粒子交流磁化强度的在体温度测量方法及系统 | |
| CN103892809B (zh) | 一种磁纳米温度成像方法及系统 | |
| CN105433912B (zh) | 一种磁纳米实时非侵入式温度测量方法 | |
| CN110705072B (zh) | 基于Fokker-Planck的高精度磁纳米温度估计方法与系统 | |
| CN108663391B (zh) | 一种基于顺磁位移的磁纳米粒子浓度与温度测定方法 | |
| CN112212996B (zh) | 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 | |
| CN104856655B (zh) | 一种基于双频磁场磁纳米磁化强度的温度测量方法 | |
| CN104316213B (zh) | 一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法 | |
| CN110132806B (zh) | 一种基于磁纳米粒子的快速粒径分布信息测量方法 | |
| CN111256865B (zh) | 一种基于tmr的双频激励磁纳米温度测量方法 | |
| US9534963B2 (en) | Magnetic nano temperature measurement method using triangle wave excitation magnetic field | |
| CN106073725B (zh) | 一种基于交流磁化强度奇次谐波的磁纳米温度测量方法 | |
| US10605751B2 (en) | System and method for determining a quantity of magnetic particles | |
| Pi et al. | Real-time and quantitative isotropic spatial resolution susceptibility imaging for magnetic nanoparticles | |
| JP6147349B2 (ja) | 粒子分布を決定する方法及びシステム | |
| Shirzadfar et al. | Characterization of a Needle-Type Probe GMR sensor for Biomedical applications | |
| Trigona et al. | RTD-Fluxgate magnetometers for detecting iron accumulation in the brain | |
| Du et al. | Harmonic detection and noise suppression in a magnetic nanoparticle thermometer | |
| Sun et al. | Simultaneous estimation of magnetic moment and Brownian relaxation time distributions of magnetic nanoparticles based on magnetic particle spectroscopy for biosensing application | |
| CN114112098B (zh) | 一种基于尼尔弛豫时间的磁纳米温度测量方法 | |
| Liu et al. | AC magnetic nanothermometry: The influence of particle size distribution | |
| CN117906779A (zh) | 一种布朗磁豫主导下的磁纳米粒子温度估计方法 | |
| CN104101444B (zh) | 一种基于磁纳米磁化强度的温度测量方法 | |
| Ye et al. | Design of high-accuracy alternating magnetic field generator in magnetic nanoparticle nanothermometer | |
| CN113884210A (zh) | 一种适用于高频磁场激励下的磁纳米温度测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |