Изобретение предназначается для дистанционного измерения локальной температуры внутри вещества или живого организма и может быть использовано в технике для контроля интенсивности происходящих внутри вещества процессов и в медицине для обнаружения воспалений и новообразований в органах и тканях организма.The invention is intended for remote measurement of local temperature inside a substance or a living organism and can be used in technology to control the intensity of processes occurring inside a substance and in medicine to detect inflammation and neoplasms in organs and tissues of the body.
Известен способ измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства ядерной намагниченности дисперсии наночастиц диамагнитного металла (платина, медь), измеряемой по частоте ядерного магнитного резонанса (ЯМР), регистрируемого радиочастотной катушкой, расположенной непосредственно в точке измерения температуры [Спр. Температурные измерения, Киев, Наукова думка, 1989, 703 с.]. Этот способ не может применяться для дистанционного измерения температуры, так как вследствие малого значения магнитных моментов ядер металла при удалении регистрирующей радиочастотной катушки от образца, расположенного в месте измерения температуры, амплитуда сигнала ЯМР становится недостаточной для измерения частоты ЯМР металла.A known method of measuring temperature using as a thermometric property of the nuclear magnetization a dispersion of nanoparticles of a diamagnetic metal (platinum, copper), measured by the frequency of nuclear magnetic resonance (NMR) detected by a radio frequency coil located directly at the temperature measurement point [Sp. Temperature measurements, Kiev, Naukova Dumka, 1989, 703 pp.]. This method cannot be used for remote temperature measurement, because due to the small value of the magnetic moments of the metal nuclei when the recording RF coil is removed from the sample located at the temperature measurement site, the amplitude of the NMR signal becomes insufficient to measure the NMR frequency of the metal.
Известен способ измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства намагниченности суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц, определяемой по различию частот сигнала ЯМР, регистрируемого от протонов растворителя в двух радиочастотных катушках, расположенных в разных геометрических точках образца [А.И.Жерновой, заявка на патент РФ №2011110201 от 17.03.2011]. Этот способ неприменим для измерения локальной температуры внутри вещества, так как при измерении частот ЯМР образец и регистрирующие радиочастотные катушки должны иметь определенную ориентацию относительно направления индукции внешнего магнитного поля, что трудно обеспечить при нахождении образца и катушек внутри исследуемого вещества или живого организма. Этот способ может быть принят за прототип.A known method of measuring temperature using, as a thermometric property, the magnetization of a suspension of single-domain ferromagnetic nanoparticles, determined by the difference in frequencies of the NMR signal detected from solvent protons in two radio frequency coils located at different geometric points of the sample [A.I. Zhernova, RF patent application No. 2011110201 dated 03/17/2011]. This method is not applicable for measuring the local temperature inside the substance, since when measuring NMR frequencies the sample and the recording RF coils must have a certain orientation relative to the direction of induction of the external magnetic field, which is difficult to ensure when the sample and coils are inside the test substance or living organism. This method can be taken as a prototype.
Задачей предлагаемого технического решения является дистанционное измерение локальной температуры внутри вещества или живого организма. Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства намагниченности суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц, регистрируемой методом ЯМР, согласно изобретению применяют наночастицы, сделанные из термомагнитных материалов, имеющих точки Кюри в области измеряемых температур, а значение измеряемой температуры и локализацию точки ее измерения определяют по положению и форме изображения чувствительного элемента (микросферы, заполненной термометрическим веществом) на ЯМР-томограмме исследуемого участка вещества или живого организма.The objective of the proposed technical solution is the remote measurement of local temperature inside a substance or living organism. The problem is achieved in that in the method of measuring temperature using magnetization of a suspension of single-domain ferromagnetic nanoparticles as the magnetization property, the NMR detected according to the invention, nanoparticles made of thermomagnetic materials having Curie points in the range of measured temperatures are used, and the value of the measured temperature and localization its measurement points are determined by the position and image shape of the sensitive element (microspheres filled with thermometric they substance) NMR tomogram on a sample portion of the substance or living organism.
В предлагаемом способе термометрическое вещество представляет собой суспензию однодоменных ферромагнитных наночастиц, намагниченность которой зависит от температуры Т. Для увеличения относительного изменения намагниченности при заданном изменении температуры в предлагаемом способе в качестве ферромагнитных наночастиц предлагается использовать однодоменные наночастицы из термомагнитных материалов с температурами Кюри в диапазоне изменения измеряемых температур. При этом с увеличением температуры суспензии ее намагниченность уменьшается не только вследствие действия закона Ланжевена, но и вследствие уменьшения собственной намагниченности нананочастиц, вызванного приближением температуры к их точке Кюри. В результате относительное изменение намагниченности термометрического вещества в десятки раз больше относительного изменения измеряемой температуры, что повышает точность измерений. Для локализции точки измерения температуры термометрическое вещество предлагается помещать в сферические микроампулы, что возможно, так как в отличие от прототипа, в предлагаемом способе форма и ориентация образца не имеют принципиального значения. Для проведения дистанционных измерений температуры внутри вещества или живого организма чувствительные элементы (микроампулы с термометрическим веществом) внедряются в предполагаемые точки измерения, а исследуемый участок вещества или живого организма помещается в катушку ЯМР томографа. На томограмме исследуемого участка вещества или живого организма чувствительные элементы (микроампулы, содержащие термометрическое вещество) дают изображения в виде светлых пятен, вызванных сигналом ЯМР от протонов жидкой фазы суспензии, однако эти изображения сдвинуты относительно изображений соседних фрагментов исследуемого вещества и тканей организма на расстояния, равные отношению намагниченности суспензии к градиенту магнитного поля томографа, осуществляющему частотное кодирование ЯМР сигналов, а в тех местах томограммы, где должны быть изображения микроампул с термометрическим веществом, эти изображения отсутствует, то есть имеются темные пятна. По положению темных пятен относительно изображений соседних фрагментов вещества или тканей живого организма можно определять локализации точек измерения температуры, а по расстояниям от этих темных пятен до близлежащих светлых пятен, вызванных сигналом ЯМР от растворителя термометрического вещества, можно определять температуры в точках расположения микроампул с термометрическим веществом.In the proposed method, the thermometric substance is a suspension of single-domain ferromagnetic nanoparticles, the magnetization of which depends on the temperature T. To increase the relative change in magnetization at a given temperature change in the proposed method, it is proposed to use single-domain nanoparticles of thermomagnetic materials with Curie temperatures in the range of measured temperatures as ferromagnetic nanoparticles . Moreover, with an increase in the temperature of the suspension, its magnetization decreases not only due to the action of the Langevin law, but also due to a decrease in the intrinsic magnetization of nanoparticles, caused by the approach of the temperature to their Curie point. As a result, the relative change in the magnetization of the thermometric substance is ten times greater than the relative change in the measured temperature, which increases the accuracy of the measurements. To localize the temperature measurement point, it is proposed that the thermometric substance be placed in spherical micro ampoules, which is possible, because, unlike the prototype, in the proposed method the shape and orientation of the sample are not of fundamental importance. To conduct remote temperature measurements inside a substance or a living organism, sensitive elements (micro ampoules with a thermometric substance) are introduced at the supposed measurement points, and the studied part of the substance or living organism is placed in the NMR coil of the tomograph. On the tomogram of the studied site of a substance or living organism, sensitive elements (microampules containing a thermometric substance) give images in the form of bright spots caused by an NMR signal from protons of the liquid phase of the suspension, but these images are shifted relative to the images of neighboring fragments of the studied substance and body tissues at distances equal to the ratio of the magnetization of the suspension to the magnetic field gradient of the tomograph performing frequency coding of NMR signals, and in those places of the tomogram where there should be images of micro ampoules with a thermometric substance, these images are absent, that is, there are dark spots. From the position of the dark spots relative to the images of neighboring fragments of a substance or tissues of a living organism, one can determine the localization of temperature measurement points, and from the distances from these dark spots to nearby bright spots caused by the NMR signal from the solvent of the thermometric substance, one can determine the temperature at the locations of the micro ampoules with the thermometric substance .
Доказательство осуществимости предлагаемого способаThe proof of the feasibility of the proposed method
Уменьшение намагниченности вещества с увеличением температуры - известный факт. Для суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц это уменьшение определяется законом Ланжавена [А.И.Жерновой, Ю.Р.Рудаков, С.В.Дьяченко. Научное приборостроение, 2011], а если в качестве материала наночастиц использовать термомагнитный ферромагнетик, то намагниченность с увеличением температуры вблизи температуры Кюри уменьшается значительно быстрее, стремясь к нулю. Например, у сплава Fe-Ni с относительной концентрацией Fe 30% намагниченность при повышении температуры от 20 до 40°С уменьшается на 150%. [Справочник: Материалы в приборостроении и автоматике. Под ред. Ю.М.Пятина, М.: Ммашиностроение, 1982, 528 с.]. Сдвиг на томограмме изображений участков вещества, вызванный отличием их намагниченности от намагниченности окружающего фона, также известен. Например, в работе Неронова Ю.И., Гарайбеха З. «ЯМР в томографии и спектральных исследованиях тканей головного мозга». СПб, 2002 г. приведены томограммы образца воды, содержащего пробирки, заполненные подсолнечным маслом, на которой виден сдвиг изображений содержимого пробирок, вызванный отличием магнитных восприимчивостей масла и воды.A decrease in the magnetization of a substance with an increase in temperature is a known fact. For a suspension of single-domain ferromagnetic nanoparticles, this decrease is determined by the law of Lanzhavan [A.I. Zhernova, Yu.R. Rudakov, S.V. Dyachenko. Scientific Instrumentation, 2011], and if a thermomagnetic ferromagnet is used as the material of nanoparticles, then the magnetization decreases much faster with increasing temperature near the Curie temperature, tending to zero. For example, in a Fe-Ni alloy with a relative concentration of Fe of 30%, the magnetization decreases by 150% with increasing temperature from 20 to 40 ° C. [Reference: Materials in instrumentation and automation. Ed. Yu.M. Pyatina, Moscow: Mmashinostroenie, 1982, 528 p.]. A shift in the tomogram of images of sections of a substance caused by the difference in their magnetization from the magnetization of the surrounding background is also known. For example, in the work of Neronov Yu.I., Garaybekh Z. "NMR in tomography and spectral studies of brain tissue." St. Petersburg, 2002 shows tomograms of a sample of water containing test tubes filled with sunflower oil, which shows a shift in the image of the contents of the test tubes, caused by the difference in the magnetic susceptibilities of oil and water.