CN106419857B - 一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法 - Google Patents

一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，步骤为：将磁纳米粒子样品放置在待测对象处，对磁纳米粒子样品所在的区域同时施加交流和直流磁场，利用空心线圈实时获取磁纳米粒子样品在施加磁场激励下的磁化信息，通过低噪声前置放大器进行信号放大，采用数据采集卡对信号进行离散采集，利用谐波提取算法检测出各次谐波信号的幅值信息；根据郎之万函数和二次谐波与一次谐波幅值之比导函数的特性建立递推公式，构建实时温度测量递推模型，获取到温度信息。本发明可以实时快速的获取到被测非接触式物体温度信息，从根本上解决了磁纳米温度测量实时性较低的问题，同时又避开了高次谐波测量困难的难题，实现快速实时温度测量。

Description

一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法
技术领域
本发明涉及纳米测试技术和非侵入式温度测量的技术领域，特别是指一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，适用于肿瘤癌症等细胞内部温度信息测量。
背景技术
肿瘤是严重威胁人类身体健康甚至危及生命的疾病之一，据世界卫生组织统计，肿瘤癌症已经成为人类死亡的疾病之首。世界科研与技术工作者为此提出治疗手段，如手术切除、放射与化学疗法。然而手术切除只能针对早期患者，放射与化学疗法给病人带来极大痛苦的同时治愈率较低。世界各国都对热疗进行了大量的临床试验，“肿瘤热疗法”被称为治愈恶性肿瘤最有希望的手段之一，同时也被誉称为“绿色疗法”。肿瘤细胞的耐热性较低，一般在温度为42.5℃左右时，保持一定时间肿瘤组织细胞即可死亡，而正常细胞则可以较长时间耐热此温度。但是，目前一些问题还有待解决，如肿瘤癌症细胞温度的实时精密测量。临床常用于肿瘤热疗的测温方法如光钎温度传感器、热电阻和热电偶等，存在以下局限：首先易受传感器数量的限制，无法精确掌握整个肿瘤组织的温度场；其次温度测量探头本身会对肿瘤组织加热产生影响，使加热不均匀；最后这些温度传感器需要植入患者体内，给患者带来极大的痛苦体验，使治疗风险加大。此外，药物治疗肿瘤细胞时，需要保证肿瘤组织区域在合适的药物浓度下并维持一定时间，才能达到最佳的治疗效果，而温度则是控制靶向磁纳米药物热敏载体释放药物的主要因素。药物热敏载体在温度为42℃左右时，释放药物速率能达到峰值，可以迅速使肿瘤组织的药物浓度上升，此时肿瘤药物的毒性最强，当温度变化幅度在2℃时，释放药物的速率将会下降超出峰值的50％左右。当然，如果温度一直保持较高，会使得肿瘤组织药物浓度过高，肿瘤细胞来不及吸收，多余的药物将会随着血液流向其他正常组织器官，造成对身体的损害，所以需要在一定时间内将温度降下来。所以，如果温度的掌控精度不够高，将直接影响药物的释放，导致肿瘤组织药物浓度不足或者长时间过高，不能有效杀死肿瘤细胞或损伤其他组织器官而影响肿瘤的治疗效果，增加医治风险；而药物浓度不足很容易诱使它们产生抗体，导致产生抗药性，增加医治难度；加热温度过高，又容易发生热损伤情况。因此，体内组织细胞温度实时测量技术是目前肿瘤热疗方法亟待解决的重要研究课题。
磁纳米材料的出现给上述问题提供一种解决方法。美国学者J.B.Weaver于2009年通过实验的方式验证了磁纳米粒子的温度敏感性，即磁纳米粒子在不同温度下的磁化响应不同。研究发现在单频交变磁场激励下，磁纳米粒子的交流磁化强度信息中的三次谐波幅值和五次谐波幅值的比值与温度具有较好的线性度，遗憾的是其缺少相关的理论依据支撑。华中科技大学刘文中教授领导的科研小组于2011年提出了磁纳米测温模型，从理论上给磁纳米粒子温度测量方法提供依据，研究发现，在直流磁场激励下的磁纳米粒子磁化强度倒数具有极强的温度敏感性，并提出了根据磁化率倒数进行温度测量的理论模型，并成功测量到磁纳米温度的信息。只是该测量方法测量时间较长，无法满足医疗应用要求。钟景博士通过对磁纳米粒子在单频交流磁场激励下的磁化强度温度敏感性进行研究，提出了单频交变磁场激励下的温度测量模型，该方法在一定程度上提高了测温实时性，然而该方法要求的磁纳米粒子磁化响应的高次谐波信息测量难度较大。
发明内容
本发明为了解决了磁纳米温度测量实时性较低的技术问题，提出一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，能够对磁纳米实现快速实时的温度测量，从而满足肿瘤癌症热疗中所要求的快速实时温度测量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，其步骤在于：
步骤一：将磁纳米样品放置于待测对象处；
步骤二：对磁纳米样品所在区域施加直流激励和交流激励磁场：H＝Hdc+H1sin(ω1t)，其中，Hdc是直流磁场强度，H1是频率为ω1的交流磁场强度；
步骤三：采用空心线圈作为磁探测传感器采集直流激励磁场和交流激励磁场共同激励下磁纳米样品的磁化强度信号；
步骤四：提取k时刻温度Tk、k+1时刻温度Tk+1、k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的一次谐波的幅值M1(Tk)、M1(Tk+1)、M1(Tk+2)，提取k时刻温度Tk、k+1时刻温度Tk+1、k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的二次谐波的幅值M2(Tk)、M2(Tk+1)、M2(Tk+2)；其中，k＝1,2,3，…；
步骤五：根据郎之万函数建立二次谐波幅值与一次谐波幅值之比和温度之间的函数关系构建其导函数：
其中，T为待测对象温度，Ms为磁纳米粒子有效磁矩，kB为波尔兹曼常数；
对进行泰勒级数展开，整理得到温度递推公式：
其中，Tk为k时刻的温度；
步骤六：根据步骤四中获取的k、k+1、k+2时刻的一次谐波和二次谐波幅值之比 以及温度值Tk和Tk+1作为步骤五所得到递推公式的初值，带入步骤五的递推公式获取到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2；
步骤七：k的值加1，循环步骤四-五获取到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2。
所述直流激励和交流激励磁场利用通电的亥姆霍兹线圈或者螺线管产生，交流激励磁场
强度H1的范围在5Gs以下，直流激励磁场强度Hdc大于10Gs。
所述空心线圈为空心式差分线圈，空心线圈的采集的磁化强度信号送入低噪声前置放大器对其进行信号放大和滤波预处理，然后通过数据采集卡进行离散采集。
所述步骤四中利用数字相敏检波算法或快速傅立叶变换算法提取磁化强度信号的各次谐波幅值。
所述郎之万函数泰勒展开项数m一般取值范围为2-8。
本发明的有益效果：将磁纳米样品(固体/液体)放置在待测对象处，然后施加直流磁场和交流磁场激励共同激励，磁纳米粒子的磁化强度信息包含丰富的各次谐波信息，通过数字相敏检波算法提取出所需各次谐波的幅值，采用谐波幅值比(如二次谐波与一次谐波幅值比，三次谐波与一次谐波幅值比等)构建磁纳米温度递推公式，根据前面两个时刻的温度和谐波幅值之比值通过温度递推公式测量当前时刻的温度值。本发明仅仅利用磁纳米粒子前两个时刻的温度值和谐波比值进行当前温度的递推，大大提高了磁纳米温度测量的时间分辨率，有望解决肿瘤癌症热疗中实时快速温度测量问题，而且还适用于其他非侵入式快速温度测量场合。本发明利用递推方式进行温度信息测量，不需要进行复杂的温度反演求解过程，大大提高了温度测量的实时性，单个温度点测量时间仅仅取决于数据采集卡对信号离散采集速度，而以往单个磁纳米温度测量时间为1秒。本发明可以实时快速的获取到被测物体温度信息，尤其是可以实现非接触式物体内部温度信息的测量；从根本上解决了磁纳米温度测量实时性较低的问题，同时又避开了高次谐波测量困难的难题，实现快速实时温度测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的具体流程图。
图2为310-320K温度范围内(步进为1K)二次与一次谐波幅值之比随着温度变化的仿真图。
图3为310-311K温度范围内(步进为0.1K)二次与一次谐波幅值之比随着温度变化的仿真图。
图4为310-320K温度范围内(步进为1K)反演温度与真实温度对比仿真图。
图5为310-320K温度范围内(步进为1K)反演温度与真实温度误差仿真图。
图6为310-311K温度范围内(步进为0.1K)反演温度与真实温度对比仿真图。
图7为310-311K温度范围内(步进为0.1K)反演温度与真实温度误差仿真图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，包括如下步骤：
(1)将磁纳米样品放置于待测对象处。
(2)对磁纳米样品所在区域施加直流激励和交流激励磁场。
利用通电的亥姆霍兹线圈(或者螺线管)产生直流和交流激励磁场：H＝Hdc+H1sin(ω1t)，其中，Hdc是直流磁场强度，H1是频率为ω1的交流磁场强度。为了构建磁纳米磁化信息中各次谐波幅值信息与温度之间的数学模型，需要对用于描述磁纳米粒子超顺磁性的朗之万函数进行离散展开。为了保证在离散展开时所引入截断误差对测温精度影响较少，郎之万函数离散展开项数一般为2-8项，同时为了获取较高信噪比的谐波幅值信息，交流激励磁场强度H1一般在5Gs以下较优，而直流激励磁场强度Hdc一般大于10Gs较优。
(3)采集直流激励磁场和交流激励磁场共同激励下磁纳米样品的磁化强度信号。
采用空心式差分线圈作为磁探测传感器实时获取磁纳米粒子样品在交流和直流磁场共同激励下的磁化信息。由于磁纳米粒子超顺磁特性，磁纳米粒子样品在直流和交流磁场共同激励下的磁化响应信息含有丰富的谐波信息，即以频率ω1为基频的各次谐波信号。由于信号较弱，需要对探测到的有用信号送入低噪声前置放大器对其进行信号放大、滤波等预处理，最后通过数据采集卡将信号进行离散采集。
(4)提取k时刻温度Tk、k+1时刻温度Tk+1、k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的一次谐波的幅值M1(Tk)，M1(Tk+1)，M1(Tk+2)，提取k时刻温度Tk、k+1时刻温度Tk+1、k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的二次谐波的幅值M2(Tk)、M2(Tk+1)、M2(Tk+2)。
采用谐波提取算法将所需的各次谐波信号的幅值从磁纳米磁化响应信息中提取出来。分别提取出来以频率ω1为基频下的磁化强度信号一次谐波信号的幅值信息M1(Tk)、M1(Tk+1)、M1(Tk+2)和二次谐波信号的幅值信息M2(Tk)、M2(Tk+1)、M2(Tk+2)。k的初始值为1，分别提取温度T1和T2下的磁纳米样品磁化强度信号的一次谐波信号的幅值信息M1(T1)、M1(T2)和M1(T3)和二次谐波信号的幅值信息M2(T1)、M2(T2)和M2(T2)。
(5)根据郎之万函数建立二次谐波的幅值M2(T)与一次谐波M1(T)幅值之比和温度之间的函数关系构建其导函数：
其中，T为待测对象温度，Ms为磁纳米粒子有效磁矩，kB为波尔兹曼常数。
之后对进行泰勒展开：
其中，δ为无穷小量，Tk、Tk+1、Tk+2分别为k、k+1、k+2时刻的温度，k＝1,2,3，…。上式整理得到温度递推公式：
(6)根据步骤(4)中获取的k、k+1、k+2时刻的一次谐波和二次谐波幅值之比 以及温度值Tk和Tk+1作为步骤(5)所得到递推公式的初始值，进而带入步骤六获得的递推公式获取到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2。
其中，将k、k+1、k+2时刻的一次谐波和二次谐波幅值之比以及温度值Tk和Tk+1代入步骤(5)的温度递推公式即可得到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2。
(7)k的值加1，循环步骤(4)-(5)获取此时到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2。
k的值加1，通过步骤(4)获取k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的一次谐波的幅值M1(Tk+2)和一次谐波的幅值M2(Tk+2)，通过得到k+2时刻的一次谐波和二次谐波幅值之比即上一步得到的温度值Tk和温度值Tk+1代入步骤(5)的温度递推公式即可得到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2。即在步骤(6)中，通过k+1、k+2、k+3时刻的一次谐波和二次谐波幅值之比以及温度值Tk+1和Tk+2递推出k+3时的磁纳米温度值Tk+3。后续温度依次类推。
上述步骤中也可以根据频率ω1的高次谐波(如三次，四次，五次等)与一次谐波幅值之比构建递推公式，求解方法与上述步骤中国二次谐波幅值与一次谐波幅值之比的递推公式一样。
本发明利用k时刻的温度值Tk、k+1时刻的温度值Tk+1和谐波幅值的比 来递推k+2时刻的温度值Tk+2，回避了需要大量计算温度反演算法，即可以实现快速实时温度测量，确保该方法在实际应用的可行性又提高了时间分辨率。
仿真实例：
1.仿真模型与测试结果
为了研究直流和交流磁场共同激励下，本发明的有效性及优越性，仿真实验分为两组：第一组都在磁纳米粒子有效磁矩Ms＝2×10-19A/m、玻尔兹曼常数K＝1.38×10-23、磁纳米粒子浓度N＝2×1019、直流磁场强度Hdc为15高斯、交变磁场激励频率为175Hz、交变磁场强度H1为2高斯，分别测试310K、311K、312K、313K、314K、315K、316K、317K、318K、319K、320K这十一个温度点。第二组都在磁纳米粒子有效磁矩Ms＝2×10-19A/m、玻尔兹曼常数K＝1.38×10-23、磁纳米粒子浓度N＝2×1019、直流磁场强度Hdc为15高斯、交变磁场激励频率为175、交变磁场强度H1为2高斯，分别测试310.0K、310.1K、310.2K、310.3K、310.4K、310.5K、310.6K、310.7K、310.8K、310.9K、311K这十一个温度点。
2.仿真实验结果
图2为310K-320K温度范围内，一次谐波幅值与二次谐波幅值之比随着温度变化(步进为1K)的仿真图。图3为310-311K温度范围内，二次谐波幅值与一次谐波幅值之比随着温度变化(步进为0.1K)的仿真图。图4为310-320K温度范围内(步进为1K)反演温度与真实温度对比仿真图。图5为310-320K温度范围内(步进为1K)反演温度与真实温度误差仿真图。图6为310-311K温度范围内(步进为0.1K)反演温度与真实温度对比仿真图；图7为310-311K温度范围内(步进为0.1K)反演温度与真实温度误差仿真图。
本发明在测量温度过程中，测温时间不取决于温度反演算法所用时间，而是取决于磁化响应信息采样时间。在温度范围为310K-320K、步进为1K时，磁纳米磁化响应的二次谐波幅值与一次谐波幅值之比随着温度的升高逐渐下降，而且近似成比例下降，反演温度与真实温度之间误差约0.006K；而当温度范围缩小为310K-311K、步进为0.1K时，磁纳米磁化响应的二次谐波幅值与一次谐波幅值之比随着温度的升高逐渐下降，反演温度与真实温度之间最大误差约7.5×10-5K，比温度范围为310K-320K、步进为1K时的温度误差约减小了125倍。本发明测温精度与步进有极强的相关性，在测温精度要求较高的场合，往往步进选择较小较优。因此，本发明可以在保证测量精度的同时，大大降低了温度反演时间，为快速温度测量提供了一种新的方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，其特征在于，其步骤在于：
步骤一：将磁纳米样品放置于待测对象处；
步骤二：对磁纳米样品所在区域施加直流激励和交流激励磁场：H＝Hdc+H1sin(ω1t)，其中，Hdc是直流磁场强度，H1是频率为ω1的交流磁场强度；
步骤三：采用空心线圈作为磁探测传感器采集直流激励磁场和交流激励磁场共同激励下磁纳米样品的磁化强度信号；
步骤四：提取k时刻温度Tk、k+1时刻温度Tk+1、k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的一次谐波的幅值M1(Tk)、M1(Tk+1)、M1(Tk+2)，提取k时刻温度Tk、k+1时刻温度Tk+1、k+2时刻温度Tk+2下的磁纳米样品以频率ω1为基频下的磁化强度信号的二次谐波的幅值M2(Tk)、M2(Tk+1)、M2(Tk+2)；其中，k＝1,2,3，…；
步骤五：根据郎之万函数建立二次谐波幅值与一次谐波幅值之比和温度之间的函数关系构建其导函数：
其中，T为待测对象温度，Ms为磁纳米粒子有效磁矩，kB为波尔兹曼常数；
对进行泰勒级数展开，整理得到温度递推公式：
其中，Tk为k时刻的温度；
步骤六：根据步骤四中获取的k、k+1、k+2时刻的一次谐波和二次谐波幅值之比 以及温度值Tk和Tk+1作为步骤五所得到递推公式的初值，带入步骤五的递推公式获取到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2；
步骤七：k的值加1，循环步骤四-六获取到k+2时刻的磁纳米温度值Tk+2。
2.根据权利要求1所述的基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述直流激励和交流激励磁场利用通电的亥姆霍兹线圈或者螺线管产生，交流激励磁场强度H1的范围在5Gs以下，直流激励磁场强度Hdc大于10Gs。
3.根据权利要求1所述的基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述空心线圈为空心式差分线圈，空心线圈的采集的磁化强度信号送入低噪声前置放大器对其进行信号放大和滤波预处理，然后通过数据采集卡进行离散采集。
4.根据权利要求1所述的基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述步骤四中利用数字相敏检波算法或快速傅立叶变换算法提取磁化强度信号的各次谐波幅值。
5.根据权利要求1所述的基于递推方式的实时快速磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述郎之万函数泰勒展开项数m取值范围为2-8。
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