[发明专利]基于Fokker-Planck的高精度磁纳米温度估计方法与系统

说明书

本发明提出了一种基于Fokker‑Planck的高精度磁纳米温度估计方法与系统，通过Fokker‑Planck公式构建磁纳米粒子温度估计模型，利用磁场信息检测装置多次测量磁纳米粒子的磁化响应谐波幅值和相位信息，拟合磁纳米粒子温度估计模型中的模型参数；将待测样品放置磁场信息检测装置中，测量样品在外加磁场激励下的谐波幅值和相位信息，代入预设的磁纳米粒子温度估计模型，求出磁纳米温度信息。本发明可以准确获取中高频磁场激励下的磁纳米粒子温度信息，解决以往基于Langevin Function不适用中高频激励的应用场合的难题，拓展了磁纳米温度测量和磁纳米颗粒成像技术的适用领域，提高测量精度和时空间分辨率。

技术领域

本发明涉及纳米磁学检测技术和非侵入式温度测量的技术领域，尤其涉及一种基于Fokker-Planck的高精度磁纳米温度估计方法与系统，适用于中高频激励下的磁纳米温度测量或磁纳米颗粒成像技术，解决磁纳米温度测量激励磁场较低带来的应用领域瓶颈。

背景技术

磁纳米粒子肿瘤热疗由于其靶向性强、无创伤、安全和毒副作用小等优点而被认为是一种治疗肿瘤癌症的绿色疗法。温度是磁纳米肿瘤热疗中十分关键的物理参数。然而，肿瘤癌变区温度信息的实时精确测量是精准施加与控制热剂量、提高磁纳米肿瘤热疗疗效、最大限度保留正常细胞的同时选择性诱导肿瘤细胞凋亡的重要前提和基础。

2009年，J.B.Weaver等人提出基于磁纳米粒子交流磁化响应信息中的五次谐波幅值与三次谐波幅值的比值进行温度测量，在热疗温度窗口内的测量得到温度的标准差为0.3℃。A.M.Rauwerdink等人采用交流磁场和直流磁场共同作用，测量磁化响应信息中四次谐波幅值与二次谐波幅值的比值，实现温度测量，均方根误差为0.79℃，然而上述研究缺少严谨的数学模型。W.Liu等人基于郎之万顺磁定理，构建直流磁场激励下温度测量的数学模型，利用超导量子干涉仪测量磁纳米粒子磁化强度，测量温度信息，均方根误差为0.55℃，解决了磁纳米粒子温度测量技术缺少理论模型支撑的难题。随后，J.Zhong等人提出了磁纳米粒子测温修正模型，理论上温度测量精度能达到标准差为0.017℃。Z.Du等人提出一种基于递推式的快速磁纳米温度测量方法，解决磁纳米温度测量耗时问题。W.Liu等人提出双频激励下的磁纳米粒子测温模型，有效提高了磁纳米粒子温度测量精度。Z.Du等人从误差传递角度研究影响磁纳米温度测量精度的影响模型，从降低测量系统噪声的角度进一步提高磁纳米粒子的温度测量精度。I.M.Perreard和L.He等人分别提出基于德拜理论的磁纳米粒子测温模型，适用于中高频激励磁场下温度测量领域。

综上所述，近些年磁纳米温度测量技术得到了快速发展，仔细研究发现上述模型是基于郎之万函数开展的温度测量技术的研究，然而郎之万函数是描述当激励磁场为静态或者准稳态时磁纳米粒子磁化响应信息，在中高频磁场激励下，郎之万函数不再适用。I.M.Perreard和L.He等人基于德拜理论也很难准确描述中高频磁场激励下的磁化响应信息，因为德拜理论是一种线性近似模型。也无法准确全面描述中高频磁场激励下的磁化响应信息。磁纳米粒子在中高频交流磁场激励下，磁纳米粒子存在布朗磁豫或者尼尔磁豫现象，这将会对磁纳米粒子的磁化响应谐波幅值产出影响，进而影响到磁纳米温度测量和磁纳米颗粒成像技术的测量精度和空间分辨率。此外，磁纳米粒子在中高频磁场激励下的磁化响应信息也会滞后激励磁场一个相位角。

发明内容

针对中高频磁场激励下的布朗磁豫或者尼尔磁豫现象对于磁化响应谐波幅值信息的影响，郎之万函数又无法准确描述中高频激励下的磁纳米粒径磁化响应信息而引起的测量精度较低的技术问题，本发明提出一种基于Fokker-Planck的高精度磁纳米温度估计方法与系统，通过磁化响应中的谐波幅值和相位信息对磁化响应谐波幅值信息进行补偿，从而能够准确描述中高频磁场激励下的磁纳米粒子磁化响应谐波信息，进而实现中高频磁场激励下的温度信息的估计，攻克以往由于激励频率较低导致的磁纳米温度测量精度和空间分辨率较低的技术瓶颈，有望实现中高频磁场激励下的实时的温度信息测量，从而满足医疗生物诊断、工业领域等所要求的磁纳米温度测量和磁纳米颗粒成像技术的测量精度、实时性和空间分辨率等指标要求。