[发明专利]一种电性粒子成像方法及信号检测装置

说明书

一种电性粒子成像方法及信号检测装置，其方法为，首先建立电性粒子极化模型，获得极化率χe与浓度分布N的定量关系；再建立测量对象的信号检测机理模型，获得研究对象的测量信号Ф与其介电系数之间ε的关系，并通过选择合适的工作频率，屏蔽生物组织对测量信号的干扰；然后根据成像算法，获取生物组织内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息；最后根据极化率χe与介电系数ε关系，建立电性纳米粒子的测量信号与浓度之间的联系，实现生物组织内电性纳米粒子的浓度分布成像。其信号检测装置，主要包括：信号发生部分、传感器部分、信号放大部分、信号采集和成像算法部分。

技术领域

本发明涉及一种微纳尺度的医学成像方法及信号检测装置，特别涉及一种电性粒子的成像方法及其信号检测装置。

背景技术

磁性纳米粒子(Magnetic Nano Particles,MNPs)是一种主动靶向作用较好的纳米材料，具有较强的磁导向性，可通过外加磁场靶向运转药物或基因，因而在分离纯化、磁性转染、免疫分析、催化、固相萃取及磁热疗和磁靶向药物递送等方面具有重要的应用价值和广泛的应用前景。此外，常用的主动靶向性较好的纳米材料中，还有一类与之相对应的纳米粒子，具有较强的电导向性，可通过外加电场进行体外调控，以下统称为电性纳米粒子(Electric Nano Particles,ENPs)。ENPs在生物医学领域中应用也非常广泛，以其中具有代表性的金纳米粒子(AuNPs)为例，AuNPs独特的光物理性质、良好的生物相容性及易于表面修饰等特性，使其在药物靶向递送、生物免疫传感器、肿瘤光热治疗、癌症靶向治疗、生物医学成像等领域应用前景广阔。

针对MNPs的体内成像，磁性粒子成像(Magnetic Particles Imaging,简称MPI)作为一种新型层析成像技术，在2005年由德国学者Gleich和Weizenecker首次公开后，便受到了学术界的广泛关注。与主流的核磁共振成像技术相比，MPI具有更高的灵敏度和空间分辨率。2018年，Kaul等人将其应用于捕捉小鼠心血管系统的活动情况，并获得了一系列实时图像。

然而针对ENPs的体内成像，目前尚未有行之有效的方法。检测时一般采用活体取样、离体观测的方式，如，检测生物体内金纳米粒子分布及残余浓度主要通过提取活体组织样本，借助电子显微镜、免疫荧光检测及电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等方法对样本进行观测。但是这种方法对实验生物体损伤非常大，尤其是在检测生物体器官内粒子浓度分布时，常常需要活体解剖实验对象，显然无法直接应用于人体。因此，探索一种可实现ENPs体内成像的方法和信号检测装置具有重要的研究价值和巨大的临床应用潜力。

发明内容

本发明的目的是克服现有成像方法的不足，基于MNPs与ENPs在电磁特性上的对偶特性，提出一种电性纳米粒子成像方法和信号检测装置。

所述的电性粒子成像方法可用于实现对生物组织内电性纳米粒子的浓度分布成像。

本发明电性纳米粒子成像方法基于电性纳米粒子成像原理，主要步骤为：

步骤一,建立电性粒子极化模型；

本发明借鉴顺磁性粒子的磁化原理与计算方法，获得热平衡状态下电性粒子的极化率χe与单位体积内分子的浓度分布N之间的定量关系，建立电性粒子极化模型。

本发明所述的电性粒子为金纳米粒子，假定每单位体积含有N个分子，每个分子都是刚性的电偶极子，其电偶极矩为p₀。施加外电场E后，通过分子之间的热碰撞，各个电偶极子的电偶极矩p₀将转向能量较小的方向，在热平衡状态下，全部p₀的取向遵循Maxwell-Boltzamann的统计分布律。同时，考虑到在任何情况下都存在感应电偶极矩，总的极化强度P应包括转向极化和感应极化两者的贡献。据此，可计算金纳米粒子的极化强度P为：