磁納米粒子在無(wú)創(chuàng)測(cè)溫中的應(yīng)用

郭盛楠，馬吉明，蘇日建，孫漢鋒，張向梅

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，鄭州　450000）

磁納米粒子在無(wú)創(chuàng)測(cè)溫中的應(yīng)用

郭盛楠，馬吉明，蘇日建，孫漢鋒，張向梅

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，鄭州450000）

0　引言

在生物醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)，在體溫度測(cè)量方式分為侵入式測(cè)量和非侵入式測(cè)量?jī)煞N。侵入式測(cè)量方法簡(jiǎn)單，測(cè)量位置便于影像直接監(jiān)控，測(cè)量精度高，實(shí)時(shí)性高，然而它導(dǎo)致的創(chuàng)傷性較大，所測(cè)得的數(shù)據(jù)為探針接觸點(diǎn)的溫度，而非所需測(cè)量區(qū)域的溫度場(chǎng)的溫度分布情況［4］。而非侵入式溫度測(cè)量能夠有效避免創(chuàng)口感染或癌細(xì)胞擴(kuò)散，不使用插針，無(wú)副作用，提供較高精度的在體溫度實(shí)時(shí)信息及組織深處溫度成像分布圖。在腫瘤治療的過(guò)程中，溫度控制是關(guān)鍵的步驟。現(xiàn)代熱生物學(xué)表明：腫瘤細(xì)胞對(duì)生存環(huán)境的溫度比較敏感，當(dāng)溫度高于42℃時(shí)，癌細(xì)胞就會(huì)被殺傷；當(dāng)正常的組織細(xì)胞受熱時(shí)，身體機(jī)能會(huì)自我調(diào)節(jié)，不容易造成損傷。腫瘤熱療正是利用活體正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞可耐受溫度的差異性來(lái)治療腫瘤。在現(xiàn)在醫(yī)學(xué)腫瘤治療中，由于熱療技術(shù)還不夠成熟，熱療只能作為放療和化療的輔助療法。病灶區(qū)域的藥物運(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［3］。

1　磁納米粒子

磁納米粒子（MNP）具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)表面、界面效應(yīng)。磁納米粒子粒徑一般為幾納米到幾十納米，由于磁納米粒子的粒徑非常小，會(huì)表現(xiàn)出與普通磁性材料不同的特有物理性質(zhì)，如矯頑力變化、超順磁性、易溶性等［1］。磁流體是含有磁納米粒子的液體，它具有固體磁性材料的磁性和液體的流動(dòng)性。磁流體在腫瘤熱療中體現(xiàn)了其優(yōu)越性，它的工作原理是將磁流體通過(guò)一定的方法 （可由外加靜態(tài)磁場(chǎng)定向定位）到達(dá)病灶區(qū)域后，磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)的作用下由電能轉(zhuǎn)化成熱能來(lái)產(chǎn)生熱量，使腫瘤組織細(xì)胞溫度升至42℃-45℃之間的有效治療溫度，并維持一定的時(shí)間，達(dá)到加速致死并分解腫瘤細(xì)胞的目的，而由于靜態(tài)磁場(chǎng)的保護(hù)磁性納米粒子在其密度很小或者幾乎沒(méi)有致使周圍的正常組織的溫度不升高或升溫不明顯，達(dá)到無(wú)副作用的腫瘤治療［2］。

在上世紀(jì)六十年代早起，研究者們成功合成了磁流體——納米膠體溶劑。相比普通的磁體，它們表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁特性，其技術(shù)的應(yīng)用打開一個(gè)相當(dāng)大的領(lǐng)域。它的合成過(guò)程并不復(fù)雜，亞鐵和三價(jià)鐵鹽的水溶液通過(guò)堿（氨水）沉淀在煤油乳劑。將反應(yīng)形成具有約10納米的特征尺寸的磁鐵礦（Fe3O4）粒子。磁鐵礦顆粒接觸到煤油乳液的液滴，并且覆蓋了一層吸附煤油液滴的表面上的表面活性劑分子，然后擴(kuò)散到這些液滴。形成磁流體乳化液滴沉淀到水底。接下來(lái)準(zhǔn)備階段包括水的蒸發(fā)，所述中間產(chǎn)物的分餾和更換的載體流體。在制備過(guò)程的最后階段少量的抗氧化劑的混合物加入到穩(wěn)定化的亞油酸的流體。將抗氧化劑加入到該溶液中形成一個(gè)緩慢的亞油酸聚合過(guò)程。從抗氧化劑品種上我們選擇三亞磷酸酯，因?yàn)樗哂性谔妓衔锏牡腿埸c(diǎn)和高有解可用性。磁性納米粒子材料較為多見的是Fe、Co、Ni金屬合金和鐵氧化物（Fe3O4，F(xiàn)e2O3）［9-10］、鐵氧體（BaFe12O19，CoFe2O4）［12］及CrO2等。

2008年，陳明潔等［14］采用化學(xué)共沉淀法制備了磁納米Fe3O4顆粒，二價(jià)鐵和三價(jià)鐵離子比例的多少、溫度高低的變化對(duì)顆粒的粒徑、磁性和形狀的影響。2010年，楊宇翔等［15］以有機(jī)堿（甲基氫氧化銨）為沉淀劑合成了Fe3O4和Co2+混合的磁納米Fe3O4粒子，磁納米的粒徑為30nm左右，研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)堿可以促使磁納米粒子間分布散開。液相反應(yīng)法能夠運(yùn)用對(duì)反應(yīng)條件的調(diào)節(jié)掌控其粒度、形狀及組成來(lái)制備所需的磁性納米材料。為后續(xù)磁納米材料的化學(xué)合成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

磁性納米材料主要包括超順磁體，磁性納米粒子，磁流體，磁性脂質(zhì)體等。磁性納米材料具有鐵磁性與超順磁性［2］。居里溫度是磁性材料的一個(gè)主要特點(diǎn)，當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，材料表現(xiàn)為鐵磁性，在交變磁場(chǎng)下，磁性材料可以利用磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生熱量來(lái)升高溫度；當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，材料由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾判?，吸收電磁波能量的能力就?huì)消失，繼而停止加熱；溫度降低到居里溫度以下后又變?yōu)殍F磁性。如此反復(fù)，就能達(dá)到自動(dòng)控制溫度的目的。因此找到適合人體的低居里溫度的磁性納米材料，將對(duì)于腫瘤熱療的發(fā)展有著重要的意義。

2　無(wú)創(chuàng)溫度測(cè)量的方法

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)工業(yè)，農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的影響。目前，非侵入式溫度測(cè)量主要有微波測(cè)溫、核磁共振測(cè)溫、電阻抗測(cè)溫、超聲測(cè)溫和磁納米遠(yuǎn)程測(cè)溫。

電阻抗測(cè)溫主要通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的導(dǎo)電參數(shù)的變化，利用圖像重建技術(shù)生成反應(yīng)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷層掃描圖像，由于物體的導(dǎo)電參數(shù)變化與物體內(nèi)部的溫度變化有關(guān)，測(cè)得導(dǎo)電參數(shù)后經(jīng)過(guò)計(jì)算并得出溫度變化，從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。微波測(cè)溫是通過(guò)在外部測(cè)量物體內(nèi)部輻射出來(lái)的熱功率來(lái)推知內(nèi)部的溫度。核磁共振測(cè)溫是通過(guò)測(cè)量物體內(nèi)部的特性（弛豫時(shí)間、分支擴(kuò)散）與溫度變化的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量。超聲測(cè)溫是通過(guò)測(cè)量超聲波的不同特性參數(shù)在物體內(nèi)部加熱前后的變化，根據(jù)超聲波的特性參數(shù)（聲速、聲波衰減系數(shù)、非線性參數(shù)、回波頻移和時(shí)移等聲學(xué)參數(shù)）和溫度的關(guān)系來(lái)得到物體內(nèi)部的溫度信息。磁納米粒子遠(yuǎn)程測(cè)溫是通過(guò)磁納米粒子的特性（磁化率、濃度）和溫度的關(guān)系來(lái)獲取溫度信息。

電阻抗測(cè)溫法容易受外界環(huán)境的影響，其空間分辨率、實(shí)時(shí)性和抗干擾性都比較差。超聲測(cè)溫法由于受生物體體積的制約多采用反射回波的形式，缺陷在于必須預(yù)先測(cè)出各種組織的聲特性及其溫度特性，然而各組織的溫度特性存在較大差異且不穩(wěn)定。微波測(cè)溫法只適用于淺表層，滲透深度有限?？紤]到體表測(cè)定的熱噪聲微波涉及到測(cè)定范圍內(nèi)的溫度分布、組織結(jié)構(gòu)及電性能，此法的缺陷在于必須先推定溫度的分布和測(cè)定生物體的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電性參數(shù)。核磁共振測(cè)溫法的缺陷在于價(jià)格昂貴，不利于普及應(yīng)用，其空間分辨率及溫度分辨率有限，更重要的是其無(wú)法獲得組織的絕對(duì)溫度，只能得到溫度的變化值。利用磁納米粒子進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)創(chuàng)溫度測(cè)量可以克服上述缺點(diǎn)的同時(shí)，有望提供一種高精度的組織深處溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。此方法實(shí)現(xiàn)在體溫度的測(cè)量和對(duì)腫瘤熱療過(guò)程的溫度的測(cè)量和控制進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和有效調(diào)整。

3　磁納米測(cè)溫方法

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［7］。

納米膠體溶劑中，粒子磁矩在外部磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生磁流體的磁化系數(shù)。自由波動(dòng)的磁矩集合的磁化系數(shù)可以通過(guò)經(jīng)典朗之萬(wàn)函數(shù)描述為：

這里μ=4π×10-7H/m是磁性常數(shù)，m2是粒子磁矩的均方值。n是粒子的濃度。k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

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，也為無(wú)創(chuàng)腫瘤熱療的發(fā)展開啟了新的篇章。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［6］。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［5］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)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真研究，利用溫度和磁納米粒子的磁化率的關(guān)系來(lái)完成磁納米粒子溫度測(cè)量技術(shù)的理論模型研究［8］。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)域需解決的問(wèn)題。

磁納米測(cè)溫的研究方向有如下幾種：第一種是利用三角波激勵(lì)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁納米粒子磁化曲線的快速測(cè)量，進(jìn)而通過(guò)相關(guān)反演算法和郎之萬(wàn)函數(shù)模型計(jì)算溫度信息，最終實(shí)現(xiàn)快速精密的溫度測(cè)量。第二種是通過(guò)采集在交流激勵(lì)磁場(chǎng)作用下的磁納米試劑的交流磁化強(qiáng)度，檢測(cè)出磁性納米粒子的交流磁化強(qiáng)度信號(hào)中的各奇次諧波分量，最后根據(jù)諧波分量和溫度的關(guān)系式得出在體溫度。具體步驟如下：

（1）離散化對(duì)朗之萬(wàn)函數(shù)進(jìn)行離散化。

（2）利用傅里葉變換建立各奇次諧波分量與在體溫度關(guān)系式。

（3）通過(guò)粒子群算法進(jìn)行該關(guān)系式的求解，從而實(shí)現(xiàn)在體溫度的精確檢測(cè)。

磁納米粒子測(cè)溫方法存在下面一些尚需解決的問(wèn)題，磁納米粒子與溫度相關(guān)的屬性包括粒徑、飽和磁矩和磁性納米粒子在體內(nèi)的濃度分布等。在理想情況下，磁流體的磁化率倒數(shù)與溫度的關(guān)系符合居里定律描述的線性關(guān)系。然而在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境下，磁流體在測(cè)量區(qū)域內(nèi)有些粒子聚集形成聚集體，磁納米粒子的密度分布情況就會(huì)受到影響，溫度與磁化率在經(jīng)典朗之萬(wàn)方程中的反比關(guān)系就不再成立。考慮到外界因素的影響，必須對(duì)經(jīng)典朗之萬(wàn)定理進(jìn)行修正，重新推導(dǎo)出溫度與磁化率的關(guān)系。

4　結(jié)語(yǔ)

磁納米粒子無(wú)創(chuàng)測(cè)溫方法因其特有的性質(zhì)，在生物科技，醫(yī)療衛(wèi)生和電磁物理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)腫瘤熱療中也有著非常好的應(yīng)用前景。目前其應(yīng)用受到限制的主要原因是磁納米粒子在體內(nèi)的濃度分布情況確實(shí)難以測(cè)量，目前也未提出任何測(cè)量方案。磁納米粒子在體內(nèi)的濃度分布與空間分布的不確定性將會(huì)導(dǎo)致活體內(nèi)溫度測(cè)量的極大誤差。精確的磁納米無(wú)創(chuàng)測(cè)溫模型的建立和改進(jìn)仍需進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)，找出合適的反演算法和求解算法，探索在不知磁納米粒子濃度情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度測(cè)量成為磁納米無(wú)創(chuàng)測(cè)溫函需解決的問(wèn)題。

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Magnetic Nanoparticles；Noninvasive Temperature；Magnetic Susceptibility

Application of Magnetic Nanoparticles in Noninvasive Temperature

GUO Sheng-nan，MA Ji-ming，SU Ri-jian，SUN Han-feng，ZHANG Xiang-mei
（Department of Computer and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450000）

1007-1423（2015）20-0016-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.20.004

郭盛楠（1988-），男，河南衛(wèi)輝人，碩士研究生，學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?/p>

馬吉明（1965-），男，山西陽(yáng)高人，碩士，教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)與信息集成、數(shù)據(jù)挖掘

蘇日建（1970-），男，黑龍江佳木斯人，博士，副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、智能信息處理

孫漢鋒（1986-），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?/p>

張向梅（1989-），女，河南商丘人，碩士研究生，學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?/p>

2015-03-26

2015-07-01

主要介紹磁納米粒子在無(wú)創(chuàng)測(cè)溫中的應(yīng)用，并對(duì)磁納米粒子的特性進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。磁納米粒子無(wú)創(chuàng)測(cè)溫方法屬于非侵入式測(cè)量，它的工作原理是磁納米粒子注射進(jìn)入體內(nèi)后能適形分布于測(cè)試區(qū)域，磁納米粒子可被看作無(wú)數(shù)個(gè)微小的溫度傳感器放置于測(cè)量區(qū)域，溫度分布情況是通過(guò)測(cè)量其在外加磁場(chǎng)下的磁化率得到的。

磁納米粒子；無(wú)創(chuàng)測(cè)溫；磁化率

Introduces magnetic nanoparticles noninvasive temperature measurement application，and describes the magnetic properties of nanoparticles in details.Magnetic nanoparticles noninvasive temperature measuring method which belongs to the non intrusive measurement，its working principle is that the magnetic nanoparticles injected into the body and distribute in the test area，which can be spread over the target area，it is seen countless tiny temperature sensor，the accurate temperature distribution will be caught by measuring the magnetic susceptibility in external magnetizing field.