WO2014131256A1

WO2014131256A1 - 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

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Publication number: WO2014131256A1
Application number: PCT/CN2013/077917
Authority: WO
Inventors: 钟景; 何乐; 蒋玲; 张朴; 刘文中
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2015-09-01
Also published as: US20150045691A1; CN103156581A; CN103156581B; US9301693B2

Abstract

一种基于磁纳米粒子交流磁化强度的在体温度测量方法包括将磁纳米试剂置放于待测对象处，对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场，采集交流激励磁场作用下磁纳米试剂的交流磁化强度，检测出交流磁化强度信号中各奇次谐波幅值，最后根据谐波和温度的关系式计算在体温度。该方法通过离散化朗之万函数和傅里叶变换预先建立各奇次谐波分量与在体温度关系式，通过该关系式求解在体温度，求解过程中无需考虑磁纳米粒子浓度信息及其有效磁矩随温度变化情况，便可实现在体温度的准确检测。

Description

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

【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粒子交流磁化强度的在体温度测量方法及系统。

【背景技术】

在体 (in vivo)温度是指完整且存活个体内的组织温度。在生物医疗领域内，在体温度测量方式分为侵入式测量和非侵入式测量。侵入式测量方法简单，测量位置便于影像直接监控，测量精度高，实时测温，但它导致的创伤性较大，插针容易引起病变细胞的转移，加热源的辐射场直接与探针作用引起测量精度的下降，测得的温度数据为点温度，而非整个凝固区的温度场分布。而非侵入式温度测量能够有效避免创口感染或癌细胞扩散，提供较高精度的在体温度实时信息及组织深处温度 (场)成像分布图，正是由于这些优点，该方式在生物医疗领域越来越被接受和追捧。

目前，非侵入式温度测量主要有超声测温法、微波测温法、核磁共振测温法和磁纳米远程测温等。超声测温法由于受生物体体积的制约多采用反射回波的形式，缺陷在于必须预先测出各种组织的声特性及其温度特性而各组织的温度特性存在较大差异且不稳定。微波测温法只适用于浅表瘤，深层分辨率明显降低。考虑到体表测定的热噪声微波涉及到测定范围内的温度分布、组织结构及电性能，此法的缺陷在于必须先推定温度的分布和测定生物体的结构参数及电性参数。核磁共振测温法的缺陷在于价格昂贵，不利于普及应用，其空间分辨率及温度分辨率有限，更重要的是其无法获得组织的绝对温度，只能得到温度的变化值。利用磁纳米粒子进行远程非侵入式温度测量在克服上述缺点的同时，有望提供一种高精度的组织深处温度 (场)测量技术。此方法实现在体温度的测量和控制将从分子水平对肿瘤热疗过程进行实时评定并及时做出有效调整。此外，基于磁纳米粒子的分子层析成像技术（MPI)在远程非侵入式在体温度测量方面展现了极高的实时速率。相比于传统的非侵入式在体温度测量方法——核磁共振， MPI 的系统构成更加便利，成本更低，精度也更高。它以磁纳米粒子磁化强度的变化来产生像原，而且更重要的是此变化存在高度的温度敏感性，因此 MPI 从理论上说也能完成在体温度的测量和成像。

磁纳米粒子与温度相关的属性包括粒径、饱和磁矩和磁纳米粒子在体内的浓度分布等。粒径、饱和磁矩可预先在体外进行精确反复测试确定，但磁纳米粒子在体内的浓度分布却是难以测量，目前也未提出任何测量方案。而磁纳米粒子在体内的浓度分布与空间分布的不确定性将会导致活体内温度测量的极大误差，因此探索在不知磁纳米粒子浓度情况下实现远程温度测量成为磁纳米肿瘤热疗领域函需解决的问题。

【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交流磁化强度的在体温度测量方法，旨在不知磁纳米粒子浓度的情况下实现在体温度的准确测量。

一种在体温度测量方法，包括如下步骤：

( 1 ) 将磁纳米试剂置放于待测对象处；

(2) 对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场；

(3 ) 采集交流激励磁场作用下磁纳米试剂的交流磁化强度信号；

(4) 检测交流磁化强度信号的各奇次谐波幅值 ς^,··· ^ , 谐波个数 η > 1 ;

系数矩阵 A的定义为：将交流磁化强度采用朗之万函数表达，利用该朗之万函数表达式的泰勒级数展开式推导各谐波幅值的表达式，从而确定

系数矩阵 A _: ，其中，为磁纳米粒

子有效磁矩，为波尔兹曼常数， H。为交流激励磁场幅值， _v为系数矩阵 A中第 _M行第 V列元素的系数， _M = l,2,-,«,_V = l,2-,m,m为泰勒级数展开项数， m>n\

在体温度相关列向量的表征式为 Γ为待测对象的在体温

度， N为待测对象处的磁纳米浓度；

进一步地，当泰勒级数展开项数等于谐波个数，所述步骤（5) 具体为：计算在体温度相关列向量，进而计算在体温度

T ^P)^ , 1≤ 2w -1， 1 和 X_q分别为在体温度相关列向量 ⁷的第 P个和个元素；

进一步地，当泰勒级数展开项数大于谐波个数《，所述步骤（5) 具体为：以 =[ ^为变量，以谐波和温度的关系式为目标函数进行最小二乘法拟合确定在体温度 T。

进一步地，所述步骤（4)采用数字相敏检波方法检测各奇次谐波幅值，其过程如下：

(a)对磁纳米交流磁化强度信号 M采样得到离散强度信号 M(i)，采样点 l，2...， L， L为采样点总数；

(b) 令 j=l;

(c) 更新/ ' = (2j'-l)/， /为激励磁场频率；

(d)产生频率为/ '的两路正交参考信号，分别对该两路正交参考信号采样得到两离散采样信号 A (i)和 (i)；

(e)判断是否等于 1，若是，则进入步骤（g)，否则，进入步骤（f);

(f) 滤除离散强度信号 M(i)中的第奇次谐波信息；

(g) 将离散采样信号 (i)与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第一分量，将离散采样信号《₂(i)与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第二分量，计算第 2 ·-1奇次谐波幅值 -l -l +。；

(h) 判定 j '是否小于，若是，贝 ij = j' + l，返回步骤（c)，否则，结束。

进一步地，所述步骤（4)采用最小二乘系统参数辨识方法检测各奇次谐波幅值，其过程如下：

对磁纳米交流磁化强度信号 M 采样得到离散强度信号 M(i),i = 1,2···, L,L为采样点总数；

— M(l)— sin (Ω) sin (3Ω) sin((2n-l)Q)―

M(2) sin (2Ω) sin (6Ω) sin (2(2η-1)Ω)

令 Z ， φ=

M(L) sin (LQ) sin (3LQ) sin(L(2n-l)Q)

通过调整采样频率，寻找使得 /=[Ζ- Χ [Ζ^Χ]最小的矩阵 ^和^从而确定由各奇次谐波幅值组成的列向量 =^ ) ，其中，数字角频率 Ω= ^-, /_s为采样频率，为圆周率，上标 Γ表示转置。进一步地，所述交流磁场的强度取值范围为 20Oe~1000Oe，所述交流激励磁场的频率取值范围为 20Hz〜20kHz。

进一步地，所述谐波个数《的取值范围为 2〜4，泰勒级数展开项数 m的取值范围为 2〜6。

针对现有技术的缺陷，本发明的另一目的还在于提供一种基于磁纳米粒子交流磁化强度的在体温度测量系统，旨在不知磁纳米粒子浓度的情况下实现在体温度的准确测量。

一种在体温度测量系统，包括：

第一模块，用于将磁纳米试剂置放于待测对象处；

第二模块，用于对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场；

第三模块，用于采集交流激励磁场作用下磁纳米试剂的交流磁化强度信号；

第四模块，用于检测交流磁化强度信号的各奇次谐波幅值 ς,ί^··· ^，谐波个数n≥l_;

第五模块，用于根据各奇次谐波和在体温度的关系式 ¾47计算在体温度 r，其中，由各奇次谐波幅值组成列向量

朗之万函数表达式的泰勒级数展开式推导各谐波幅值的表达式，从而确定

系数矩阵 A _: 其中， Λ ^为磁纳米粒

M^ImH,

子有效磁矩，为波尔兹曼常数， H。为交流激励磁场幅值， _v为系数矩阵 A中第 _M行第 V列元素的系数， _M = l, 2,— ,«,_V = l，2-， , 为泰勒级数展开项数， m≥n；

在体温度相关列向量的表征式为 Γ为待测对象的在体温

度， N为待测对象处的磁纳米浓度；

进一步地，所述第五模块包括：

第 51子模块，用于当泰勒级数展开项数 m等于谐波个数《时，计算在体温度相关列向量，进而计算在体温度 r=²^ ^， 1≤ p<q≤2n - l，

F和分别为在体温度相关列向量的第 P个和 q个元素；

第 52 子模块，用于当泰勒级数展开项数 m大于谐波个数《时，以 B=[N,Tf为变量，以谐波和温度的关系式为目标函数进行最小二乘法拟合确定在体温度 ^。

进一步地，所述第四模块采用数字相敏检波方法检测各奇次谐波幅值，包括：

第 41子模块，用于对磁纳米交流磁化强度信号 M采样得到离散强度信号 M(i)，采样点 ;=1，2...， L， L为采样点总数；

第 42子模块，用于令 j=l;

第 43子模块，用于更新/ ' = (2 ·-1)/， /为激励磁场频率；

第 44子模块，用于产生频率为/'的两路正交参考信号，分别对该两路正交参考信号采样得到两离散采样信号和 K₂(i)；

第 45子模块，用于判断 ·是否等于 1，若是，则进入第 47子模块，否则，进入第 46子模块；

第 46子模块，用于滤除离散强度信号 M(i)中的第 2 ·-3奇次谐波信息; 第 47子模块，用于将离散采样信号与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第一分量^— i，将离散采样信号 (i)与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第二分量，计算第 _2;·-1奇次谐波幅值

；

第 48子模块，用于判定 ·是否小于 w，若是，贝 ij = + i，返回第 43子模块，否则，结束。

进一歩地，所述第四模块采用最小二乘系统参数辨识方法检测各奇次谐波幅值，具体为：第四模块用于对磁纳米交流磁化强度信号 M采样得到离散强度信号 M (i), = 1, 2…， L, L为采样点总数；

~M(l) sin (Ω) sin(3Q) sin((2n-l)Q)―

M(2) sin (2Ω) sin (6Ω) sin (2(2η-1)Ω)

令 Z ， φ=

M(L) sin (LQ) sin (3LQ) sin(L(2n-l)n)

通过调整采样频率，寻找使得 /=[Ζ-^Γ[Ζ- ]最小的矩阵^ ΠΖ,从而确定由各奇次谐波幅值组成的列向量

, 其中，数字角频率 Ω=^ , /_s为采样频率， 7Γ为圆周率，上标 Γ表示转置。本发明的技术效果体现在：本发明对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场，采集交流激励磁场作用下磁纳米试剂的交流磁化强度，检测出磁纳米粒子的交流磁化强度信号中各奇次谐波分量；通过离散化朗之万函数并且利用傅里叶变换分析磁纳米粒子在交流激励磁场下磁化强度模型的频谱信息，预先建立各奇次谐波分量与磁纳米粒子温度和浓度的矩阵关系式；依据该关系式求解在体温度，求解过程中，无需考虑磁纳米粒子浓度信息及其有效磁矩随温度变化，实现在体温度的准确检测。本发明能够精密、快速地检测在体温度，特别适用于生物分子层面热运动的探测，试验表明在信噪比保持 80dB下重复测量 10次后的平均误差小于 0.2K。

【附图说明】

图 1为本发明在体温度测量方法流程图；

图 2为数字相敏检波（DPSD ) 原理图；

图 3为数字相敏检波方法测量各次谐波流程图；

图 4为最小二乘系统参数辨识测量各次谐波流程图；

图 5为激励频率 1kHz时，分别利用 DPSD和最小二乘系统参数辨识方法测量谐波得到的温度估计误差示意图；

图 6为激励频率 5kHz时，分别利用 DPSD及最小二乘系统参数辨识方法测量谐波得到的温度估计误差示意图；

图 7为激励频率 10kHz时，分别利用 DPSD及最小二乘系统参数辨识方法测量谐波得到的温度估计误差示意图。

【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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种在体温度测量方法，参见图 1，包括如下歩骤：

( 1 ) 将磁纳米试剂置放于待测对象处。对磁纳米粒子包裹表面生物分子修饰剂，通过注射使其跟随血液循环系统靶向至待测对象处，例如各种生物组织器官。

(2) 对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场。

考虑到后面的步骤利用磁化强度朗之万函数的泰勒级数展开式计算各奇次谐波幅值是建立在激励磁场微弱的前提下，但是激励磁场过于微弱又会引起磁化强度信号信噪比 (SNR)低造成高次谐波信息提取困难，所以合理的交流激励磁场强度选择至关重要，一般选取 20~1000 Oe，优选 100 Oe。另外，交流激励磁场的频率选择 20Hz〜20 kHz，优选 lkHz。

(3 ) 采集交流激励磁场作用下磁纳米试剂的交流磁化强度。

将探测线圈作为传感器靠近含有磁纳米试剂的待测对象，其感应磁化强度模拟信号通过调理电路进行信号预处理后被数据采集卡采样传送至计算机进行后续信号处理。

(4) 检测交流磁化强度的各奇次谐波幅值。

首先对交流磁化强度进行建模：顺磁特性的磁纳米粒子交流磁化强度服从郎之万函数，表达式如下：

M=層, [coth(^¾-~^~]=層 L(^¾

s kT M H ^s kT 其中， kT 为朗之万函数， N为磁纳米试剂浓度，激励磁场

Η=Η₀ ήη (2πβ) , 为激励磁场幅值， /为激励磁场频率，为磁纳米粒子有效磁矩，为波尔兹曼常数， Γ为磁纳米粒子温度即待测对象的在体温度。

将上式傅里叶分解为包含多个奇次谐波的混频信号，即

M =^ C_{2 ]}__x sin(2 j - ί)ωΐ , η > 1 其中 C₂ 为第 2 · - 1次奇次谐波的幅值，角频率 w⁼² ，为时间； "为预定多项式展开项数，其决定了各奇次谐波的测量个数， "若取过小，则会引起交流磁化强度有限项数逼近误差增大造成温度估计误差增大； "若取过大，则会引起高次谐波微弱幅值信号难以精确检测造成温度估计误差增大，综合考虑，推荐"的取值范围为 2〜4。

将磁化强度泰勒展开式

ΝΜ' ΝΜ 2ΝΜ ΝΜ ΝΜ

M = Η- Η - -Η ' -+- -H²"¹-¹代入傅里叶系

3kT 45kT 4125k⁷T⁷ b_mk^£m—T 数计算公式 c_{2 1}=丄厂 M ₈ήι (( ·-ΐ )^ ，便可得到各次谐波幅值 ς 式，为常数，泰勒级数展开项数的取值范围为 2〜6，且^≥11。

下面给出一个谐波个数《=4，泰勒级数展开项数 m=4的实例：

M =C₁ sin (<yt)+C₃ sin (3<yt)+C₅ sin (5<yt)+C₇ sin (Ίωί)，

^ 層 ²H_n 層 ⁴H_n ³ NM^bHl NM^%Hl

= ~ + -

3kT 60k³T³ 756k⁵T⁵ 8640k⁷T⁷

c _層 Ho³ NM_s ⁶H₀ ⁵ _| NM Hl

ISOk'T³ l5i2k⁵T⁵ 14400fc⁷r⁷

其中

NM⁶ _n ⁵ 層 ⁸H_n ⁷

7560k⁵T⁵ 43200)t⁷r⁷

c _ NM Hl

302400)t⁷r⁷

各奇次谐波与单位体积内粒子浓度成比例，而谐波比值与浓度无关，与温度成函数关系，它能作为在不知粒子浓度的情况下作为温度近似的依据。

基于上述模型，本步骤采用数字相敏检波（DPSD)、最小二乘系统参数辨识或小波变换等方法测量磁纳米交流磁次强度的各奇次谐波幅值。下面结合谐波个数《=4的实例详细说明采用数字相敏检波（DPSD) 和最小二乘系统参数辨识测量磁纳米交流磁次强度的基波幅值、三次谐波幅值 3、五次谐波幅值 c₅和七次谐波幅值 c₇。

A、利用数字相敏检波测量各奇次谐波幅值方法

图 2为数字相敏检波原理图。根据所要提取特定频率/'信号设定两路正交参考信号 ω=∞8(2τ/ 、 i?₂(t)=sin(2^ 't)，其分别与被测信号 M(t)进行互相关运算经均值滤波后可得两个分量，即 5=^^!^， 0=-ο ,θ, 其中 A

2 2

为特定频率信号的幅值， S为特定频率信号的相角，最后利用 A = 2 T^， ^ = arctan^ ，得到幅值和相角。图 3为数字相敏检波方法测量各次谐波流程图，具体过程如下： Al、信号采样

磁纳米交流磁化强度信号经数字化采样（ADC)后得到 M (i)=C_L sin (Qi)+C₃ sin (3Qi)+C₅ sin (5Qi)+C₇ sin (7Ωί)+^(ί)，两路参考信号经数字化采样 (ADC)后得到 ^(i)=_C0S(Q'i)、 R₂(i)=sin(n'i) , 其中激励频率为 f ，采样频率为 /_s，数字角频率 Ω=^、 Ω' = ^，采样点 =1，2...， L，

J J

L为采样离散序列的长度， )为包含高次谐波信号的误差函数。

A2、谐波幅值提取

①为了得到基波幅值 ς，令/' = /，运用 DPSD得

^i = 7∑^MW(i)="T^sin^

则基波幅值为

②在获得基波幅值 ς后，为了高精度得到三次谐波幅值 c₃，令/ ' = 3/对滤除基波信息后的磁化强度信号 M'运用 DPSD方法得到

则三次谐波幅值为

③在获得三次谐波幅值 ₃后，对 M'滤除三次波信息后的磁化强度令/' = 5/运用 DPSD方法得

则五次谐波幅值为

C₅=2 + 0

④在获得五次谐波幅值(^₅后，对 M 滤除三次波信息后的磁化强度 M"' 令/' = 7/运用 DPSD算法得

⁵7 = ∑ Λί'"(ΐ)^(ΐ)=-^8Ϊη ^

Li — 丄

6>_{7 =}丄 M'"(i)R₂(i)="^cos6> 则七次谐波幅值为

C₇=2^₇ ²+(9₇ ²

通过以上步骤就能利用数字相敏检波 (DPSD)算法提取磁纳米粒子的交流磁化强度中各次谐波幅值信号。

B、利用最小二乘系统参数辨识方法检测各次谐波。

图 4为最小二乘系统参数辨识测量各次谐波流程图，具体过程如下：首先信号采样。磁纳米交流磁化强度信号 M经数字化采样 (ADC)后得到 M(i)=C sin( )+C₃ sin(3 )+C₅ sin(5i¾+C₇ sin(7il)+s(i)，其中激励频率为 f , 采样频率为/ _s，数字角频率 Ω=^~，采样点 i=l，2...,L，为包含高次谐波信号的误差函数， L为采样离散序列的长度。

进一步将其转化为矩阵关系式

M(l) sin (Ω) sin(3Q) sin(5Q) sin (7Ω)

(2) sin (2Ω) sin (6Ω) sin(lOQ) sin (14Ω)

M(L) sin( ¾ sin sin(5LQ) sin(7LQ)

—M(l)- sin (Ω) sin (3Ω) sin (5Ω) sin (7Ω)―

(2) sin(2Q) sin (6Ω) sin(lOQ) sin (14Ω) 令 z = ， φ=

M(L)_ sin (LXi) sin (3LQ) sin (5LQ) sin (7LQ) 1)

ε(2)

c₃

X: 贝 lJZ=pX+e,误差向量 e=Z-pX

c₇ 最小二乘系统参数辨识方法就是在这模型中，对系统的未知参数向量 X 的估计量使误差的平方和为最小作为拟合实际测量数据的好坏标准，即判据 J= _{(i)= e}。为使此判据 /_=[Z^_Xf_{[Z X]}最小，通过调整采样频率找到 i:l 恰当的矩阵和 Z，令最优估计列向量 X = 使得^ 1 _Λ=ο，即判 χ=χ 据 /取得最小值，这样就从此最优估计列向量量 X 中得到基波幅值 ς、三次谐波幅值 C₃、五次谐波幅值和七次谐波幅值 C₇。

(5)依据各奇次谐波幅值 C_2;_,与待测温度 T的矩阵关系求解在体温度 _t 各奇次谐波幅值 C_2M与待测温度 Γ满足矩阵关系 X^ 7，其中 c₃

X为由各奇次谐波幅值 C_2;―,组成的列向量， X =

c，„

y为在体温度相关列向: Y=

Ν

Τ Γ ¾ 系数矩阵 Α的定义为：将交流磁化强度采用朗之万函数表达，利用该朗之万函数表达式的泰勒级数展开式推导各谐波幅值的表达式，从而确定

系数矩阵其中， _v为系数矩阵

M^ImH,

M^2mH

A中第 _M行第 v列元素的系数， w = 1,2， V = 1,2···，， m>n。

利用上述谐波和温度的关系式求解在体温度的具体过程包含如下两种情形：

(a) 当泰勒级数展开项数等于谐波个数《，所述步骤（5) 具体为：计算在体温度相关列向量，进而计算在体温度

2« -1， 1 和 Y„分别为在体温度相关列向量的第 Ρ个和个元素；

(b) 当泰勒级数展开项数大于谐波个数《，所述步骤（5) 具体为: 以 B=[JV,T]^T为变量，以谐波和温度的关系式为目标函数进行最. 'J、二乘法拟合确定在体温度。

下面以 m=n=4为例说明：

，― NM_S ²H_Q NM_s"H ■ NM^Hl NM Hl

3 T 转化为矩阵关系式为

c₇= 厦

2400)t⁷r⁷

令待测温度 r相关列向量

M^zH_t M⁴H M^bHl ⁸H_n ⁷

3k 156k⁵ - 8640 t⁷ 系数矩阵 A为

M⁸H_n ⁷

0 0

302400t

计算在体温度相关列向量，这样在无需知道磁纳米粒子浓度的情况下通过 Γ 中任意两维数据 (设第 p维和第 q维)完成待测温度 Γ检即

^和分别为在体温度相关列向量的第 P个和个元素。特说明本发明优选 P^{=1 =2}，可获得精度较高的结果。

仿真实例：

1. 仿真模型与测试说明：

为了研究温度测试方案的有效性与优化设计，本实例采用含噪声的仿真数据对算法进行实验测试。仿真测试过程中采用的试剂粒子有效磁矩 M₅ 测定为 4xl0-¹⁹ (补充说明有效磁矩的测定数值由试剂类型参数决定)。考虑到交流磁化强度的傅里叶级数四项式逼近模型带来的误差效应，就必须采用微弱交流激励磁场幅值，本实例采用交流激励磁场幅值 H。=100 Oe。噪声模型采用 MATLAB中的 awgn函数将预先设定信噪比的噪声直接加在采样信号交流磁化强度上。温度测量过程中包含的信噪比设定为 80dB,依据不同测试目的激励磁场频率设定为低频点 lkHz，中频点 5kHz，高频点 10kHz，温度测试段选为 300K至 340K。

为了验证温度测量的精确性，本次仿真分别利用数字相敏检波算法 (DPSD)及最小二乘系统参数辨识算法检测磁纳米交流磁化强度各次谐波得到的温度估计误差值。同时，为了验证温度测量的可重复性本次仿真取 10 次重复测量的平均温度估计误差值。其中图 5至图 7说明了在激励磁场频率分别为低频段 lkHz，中频段 5kHz，高频段 10kHz下，采样频率为 100kHz 时利用数字相敏检波及最小二乘系统辨识算法检测各次谐波后得到的温度估计平均误差值。

2. 仿真试验结果：

图 5至图 7反映了无论激励磁场频率选择在低频段 1kHz,中频段 5kHz，甚至高频段 10kHz, 利用数字相敏检波及最小二乘系统辨识算法检测各次稳定性及可重复性都有所保障。由于测试条件信噪比设为 80dB，此种测量温度方法具备一定的抗噪能力。这为未来在更加复杂环境下完成精密快速的生物体温度非侵入式探测成像提供了全新的方式。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求

1、一种在体温度测量方法，包括如下步骤：

(1) 将磁纳米试剂置放于待测对象处；

(2) 对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场；

(3) 采集交流激励磁场作用下磁纳米试剂的交流磁化强度信号；

(4) 检测交流磁化强度信号的各奇次谐波幅值 ₁ 谐波个数 η>1;

C… 由各奇次谐波幅值组成列向量 X=

系数矩阵 A 其中，为磁纳米粒

M^2mHl

M^2mH

a k^lm-¹ 子有效磁矩，为波尔兹曼常数， H。为交流激励磁场幅值， _v为系数矩阵 A中第 _M行第 V列元素的系数， _Μ = 1,2,···,«,_ν = 1,2···,«ί， m为泰勒级数展开项数， m≥n; 在体温度相关列向量的表征式为 Γ为待测对象的在体温

度， N为待测对象处的磁纳米浓度。

2、根据权利要求 1所述的在体温度测量方法，其特征在于，

当泰勒级数展开项数等于谐波个数^ 所述步骤（5) 具体为：计算在体温度相关列向量 ί^Α^ ，进而计算在体温度 T -^p)^ _g, 1≤ _<ί?≤ 2w -1，和 X_q分别为在体温度相关列向量的第 P个和个元素；

当泰勒级数展开项数大于谐波个数 M，所述步骤 (5 )具体为：以

为变量，以谐波和温度的关系式 ¾ 7为目标函数进行最小二乘法拟合确定在体温度 r。

3、根据权利要求 1或 2所述的在体温度测量方法，其特征在于，所述步骤（4)采用数字相敏检波方法检测各奇次谐波幅值，其过程如下：

(a)对磁纳米交流磁化强度信号 M采样得到离散强度信号 M(i)，采样点 =1,2...， L， L为采样点总数；

(b) 令 j=l;

(c) 更新/' = (2 1)/， /为激励磁场频率；

(d)产生频率为/ '的两路正交参考信号，分别对该两路正交参考信号采样得到两离散采样信号 (i)和 ?₂(i)；

(f) 滤除离散强度信号中的第 2 -3次奇次谐波信息；

(g) 将离散采样信号与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第一分量，将离散采样信号 (i)与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第二分量 0₂ ，计算第 2 ·-1奇次谐波幅值

；

(h) 判定 ·是否小于 w，若是，贝 lh' = j' + l，返回步骤（c)，否则，结束。

4、根据权利要求 1或 2所述的在体温度测量方法，其特征在于，所述步骤（4)采用最小二乘系统参数辨识方法检测各奇次谐波幅值，其过程如下：

M(l) sin (Ω) sin (3Ω) sin((2n-l)Q)―

M(2) sin (2Ω) sin (6Ω) sin (2(2η-1)Ω)

令 Z ， φ=

M(L) sin (LQ) sin (3LQ) sin(L(2n-l)Q)

通过调整采样频率，寻找使得 /=[Ζ-^ίΠΖ-^ί]最小的矩阵和 Z，从而确定由各奇次谐波幅值组成的列向量 =^ ) ，其中，数字角频率 Ω=^, /_s为采样频率，为圆周率，上标 Γ表示转置。

5、根据权利要求 1或 2或 3或 4所述的在体温度测量方法，其特征在于，所述交流磁场的强度取值范围为 20Oe~1000Oe，所述交流激励磁场的频率取值范围为 20Hz〜20kHz。

6、根据权利要求 1或 2或 3或 4所述的在体温度测量方法，其特征在于，所述谐波个数《的取值范围为 2〜4，泰勒级数展开项数 m的取值范围为 2〜6。

7、一种在体温度测量系统，包括：

第一模块，用于将磁纳米试剂置放于待测对象处；第二模块，用于对磁纳米试剂所在区域施加交流激励磁场；

第四模块，用于检测交流磁化强度信号的各奇次谐波幅值 ς,^··· ^，谐波个数n≥l_;

第五模块，用于根据各奇次谐波和在体温度的关系式 X 计算在体温度 ^，其中，由各奇次谐波幅值组成列向量 Χ=

C 系数矩阵 Α的定义为：将交流磁化强度采用朗之万函数表达，利用该朗之万函数表达式的泰勒级数展开式推导各奇次谐波幅值的表达式，从而

确定系数矩阵 A_: 其中，为磁纳

M^lmH

M^ImH

a k²¹"—¹ 米粒子有效磁矩，为波尔兹曼常数， H。为交流激励磁场幅值， _v为系数矩阵 A中第 _M行第 ^列元素的系数， _W = l,2^,_W，v = l,2〜,m，为泰勒级数展开项数， m≥n; 在体温度相关列向量的表征式为 Γ为待测对象的在体温

度， N为待测对象处的磁纳米浓度。

8、根据权利要求 7所述的在体温度测量系统，其特征在于，所述第五模块包括：

第 51子模块，用于当泰勒级数展开项数等于谐波个数 w时，计算在体温度相关列向量，进而计算在体温度 r=²^ ^， 1≤ p<q < 2n - \，

F和分别为在体温度相关列向量的第 ρ个和 q个元素；

第 52 子模块，用于当泰勒级数展开项数 m大于谐波个数 w时，以 B=[N,T]^T为变量，以谐波和温度的关系式为目标函数进行最小二乘法拟合确定在体温度 7\

9、根据权利要求 7或 8所述的在体温度测量系统，其特征在于，所述第四模块采用数字相敏检波方法检测各奇次谐波幅值，包括：

第 41子模块，用于对磁纳米交流磁化强度信号 M采样得到离散强度信号 M (i)，采样点 _z=l，2...， L， L为采样点总数；

第 42子模块，用于令 j=l ;

第 43子模块，用于更新/' = (2 · -1)/， /为激励磁场频率；

第 44子模块，用于产生频率为/'的两路正交参考信号，分别对该两路正交参考信号采样得到两离散采样信号 A (i)和 ω；

第 45子模块，用于判断是否等于 1，若是，则进入第 47子模块，否则，进入第 46子模块；

第 46子模块，用于滤除离散强度信号 M (i)中的第 2_;· - 3奇次谐波信息; 第 47子模块，用于将离散采样信号与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第一分量^— i，将离散采样信号 (i)与离散强度信号 M(i)进行互相关运算经均值滤波后得到第二分量，计算第 2_;·-1奇次谐波幅值；

第 48子模块，用于判定 ·是否小于《，若是，贝 ϋ =· + 1，返回第 43子模块，否则，结束。

10、根据权利要求 7或 8所述的在体温度测量系统，其特征在于，所述第四模块采用最小二乘系统参数辨识方法检测各奇次谐波幅值，具体为：第四模块用于对磁纳米交流磁化强度信号 Μ采样得到离散强度信号

M(i) = 1,2···, L,L为采样点总数；

sin (Ω) sin (3Ω) ··· sin ((2n- 1 )Ω)—

sin (2Ω) sin (6Ω) ··· sin (2(2η-1)Ω)

令 Z

sin (LQ) sin (3LQ) ··· sin (L(2n-1)Q)

通过调整采样频率，寻找使得 /=[Z X]^T[z- x]最小的矩阵 p和 z，从而确定由各奇次谐波幅值组成的列向量 x = )- ^fz，其中，数字角频率

Ω=^ , /_s为采样频率，为圆周率，上标 Γ表示转置。