一種基于遞推方式的實時快速磁納米溫度測量方法與流程

本發明涉及納米測試技術和非侵入式溫度測量的技術領域，特別是指一種基于遞推方式的實時快速磁納米溫度測量方法，適用于腫瘤癌癥等細胞內部溫度信息測量。

背景技術：

腫瘤是嚴重威脅人類身體健康甚至危及生命的疾病之一，據世界衛生組織統計，腫瘤癌癥已經成為人類死亡的疾病之首。世界科研與技術工作者為此提出治療手段，如手術切除、放射與化學療法。然而手術切除只能針對早期患者，放射與化學療法給病人帶來極大痛苦的同時治愈率較低。世界各國都對熱療進行了大量的臨床試驗，“腫瘤熱療法”被稱為治愈惡性腫瘤最有希望的手段之一，同時也被譽稱為“綠色療法”。腫瘤細胞的耐熱性較低，一般在溫度為42.5℃左右時，保持一定時間腫瘤組織細胞即可死亡，而正常細胞則可以較長時間耐熱此溫度。但是，目前一些問題還有待解決，如腫瘤癌癥細胞溫度的實時精密測量。臨床常用于腫瘤熱療的測溫方法如光釬溫度傳感器、熱電阻和熱電偶等，存在以下局限：首先易受傳感器數量的限制，無法精確掌握整個腫瘤組織的溫度場；其次溫度測量探頭本身會對腫瘤組織加熱產生影響，使加熱不均勻；最后這些溫度傳感器需要植入患者體內，給患者帶來極大的痛苦體驗，使治療風險加大。此外，藥物治療腫瘤細胞時，需要保證腫瘤組織區域在合適的藥物濃度下并維持一定時間，才能達到最佳的治療效果，而溫度則是控制靶向磁納米藥物熱敏載體釋放藥物的主要因素。藥物熱敏載體在溫度為42℃左右時，釋放藥物速率能達到峰值，可以迅速使腫瘤組織的藥物濃度上升，此時腫瘤藥物的毒性最強，當溫度變化幅度在2℃時，釋放藥物的速率將會下降超出峰值的50％左右。當然，如果溫度一直保持較高，會使得腫瘤組織藥物濃度過高，腫瘤細胞來不及吸收，多余的藥物將會隨著血液流向其他正常組織器官，造成對身體的損害，所以需要在一定時間內將溫度降下來。所以，如果溫度的掌控精度不夠高，將直接影響藥物的釋放，導致腫瘤組織藥物濃度不足或者長時間過高，不能有效殺死腫瘤細胞或損傷其他組織器官而影響腫瘤的治療效果，增加醫治風險；而藥物濃度不足很容易誘使它們產生抗體，導致產生抗藥性，增加醫治難度；加熱溫度過高，又容易發生熱損傷情況。因此，體內組織細胞溫度實時測量技術是目前腫瘤熱療方法亟待解決的重要研究課題。

磁納米材料的出現給上述問題提供一種解決方法。美國學者J.B.Weaver于2009年通過實驗的方式驗證了磁納米粒子的溫度敏感性，即磁納米粒子在不同溫度下的磁化響應不同。研究發現在單頻交變磁場激勵下，磁納米粒子的交流磁化強度信息中的三次諧波幅值和五次諧波幅值的比值與溫度具有較好的線性度，遺憾的是其缺少相關的理論依據支撐。華中科技大學劉文中教授領導的科研小組于2011年提出了磁納米測溫模型，從理論上給磁納米粒子溫度測量方法提供依據，研究發現，在直流磁場激勵下的磁納米粒子磁化強度倒數具有極強的溫度敏感性，并提出了根據磁化率倒數進行溫度測量的理論模型，并成功測量到磁納米溫度的信息。只是該測量方法測量時間較長，無法滿足醫療應用要求。鐘景博士通過對磁納米粒子在單頻交流磁場激勵下的磁化強度溫度敏感性進行研究，提出了單頻交變磁場激勵下的溫度測量模型，該方法在一定程度上提高了測溫實時性，然而該方法要求的磁納米粒子磁化響應的高次諧波信息測量難度較大。

技術實現要素：

本發明為了解決了磁納米溫度測量實時性較低的技術問題，提出一種基于遞推方式的實時快速磁納米溫度測量方法，能夠對磁納米實現快速實時的溫度測量，從而滿足腫瘤癌癥熱療中所要求的快速實時溫度測量。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種基于遞推方式的實時快速磁納米溫度測量方法，其步驟在于：

步驟一：將磁納米樣品放置于待測對象處；

步驟二：對磁納米樣品所在區域施加直流激勵和交流激勵磁場：H＝H_dc+H₁sin(ω₁t)，其中，H_dc是直流磁場強度，H₁是頻率為ω₁的交流磁場強度；

步驟三：采用空心線圈作為磁探測傳感器采集直流激勵磁場和交流激勵磁場共同激勵下磁納米樣品的磁化強度信號；

步驟四：提取k時刻溫度T_k、k+1時刻溫度T_k+1、k+2時刻溫度T_k+2下的磁納米樣品以頻率ω₁為基頻下的磁化強度信號的一次諧波的幅值M₁(T_k)、M₁(T_k+1)、M₁(T_k+2)，提取k時刻溫度T_k、k+1時刻溫度T_k+1、k+2時刻溫度T_k+2下的磁納米樣品以頻率ω₁為基頻下的磁化強度信號的二次諧波的幅值M₂(T_k)、M₂(T_k+1)、M₂(T_k+2)；其中，k＝1,2,3，…；

步驟五：根據郎之萬函數建立二次諧波幅值與一次諧波幅值之比和溫度之間的函數關系構建其導函數：

其中，T為待測對象溫度，M_s為磁納米粒子有效磁矩，k_B為波爾茲曼常數；

對進行泰勒級數展開，整理得到溫度遞推公式：

其中，T_k為k時刻的溫度；

步驟六：根據步驟四中獲取的k、k+1、k+2時刻的一次諧波和二次諧波幅值之比以及溫度值T_k和T_k+1作為步驟五所得到遞推公式的初值，帶入步驟五的遞推公式獲取到k+2時刻的磁納米溫度值T_k+2；

步驟七：k的值加1，循環步驟四-五獲取到k+2時刻的磁納米溫度值T_k+2。

所述直流激勵和交流激勵磁場利用通電的亥姆霍茲線圈或者螺線管產生，交流激勵磁場

強度H₁的范圍在5Gs以下，直流激勵磁場強度H_dc大于10Gs。

所述空心線圈為空心式差分線圈，空心線圈的采集的磁化強度信號送入低噪聲前置放大器對其進行信號放大和濾波預處理，然后通過數據采集卡進行離散采集。

所述步驟四中利用數字相敏檢波算法或快速傅立葉變換算法提取磁化強度信號的各次諧波幅值。

所述郎之萬函數泰勒展開項數m一般取值范圍為2-8。

本發明的有益效果：將磁納米樣品(固體/液體)放置在待測對象處，然后施加直流磁場和交流磁場激勵共同激勵，磁納米粒子的磁化強度信息包含豐富的各次諧波信息，通過數字相敏檢波算法提取出所需各次諧波的幅值，采用諧波幅值比(如二次諧波與一次諧波幅值比，三次諧波與一次諧波幅值比等)構建磁納米溫度遞推公式，根據前面兩個時刻的溫度和諧波幅值之比值通過溫度遞推公式測量當前時刻的溫度值。本發明僅僅利用磁納米粒子前兩個時刻的溫度值和諧波比值進行當前溫度的遞推，大大提高了磁納米溫度測量的時間分辨率，有望解決腫瘤癌癥熱療中實時快速溫度測量問題，而且還適用于其他非侵入式快速溫度測量場合。本發明利用遞推方式進行溫度信息測量，不需要進行復雜的溫度反演求解過程，大大提高了溫度測量的實時性，單個溫度點測量時間僅僅取決于數據采集卡對信號離散采集速度，而以往單個磁納米溫度測量時間為1秒。本發明可以實時快速的獲取到被測物體溫度信息，尤其是可以實現非接觸式物體內部溫度信息的測量；從根本上解決了磁納米溫度測量實時性較低的問題，同時又避開了高次諧波測量困難的難題，實現快速實時溫度測量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的具體流程圖。

圖2為310-320K溫度范圍內(步進為1K)二次與一次諧波幅值之比隨著溫度變化的仿真圖。

圖3為310-311K溫度范圍內(步進為0.1K)二次與一次諧波幅值之比隨著溫度變化的仿真圖。

圖4為310-320K溫度范圍內(步進為1K)反演溫度與真實溫度對比仿真圖。

圖5為310-320K溫度范圍內(步進為1K)反演溫度與真實溫度誤差仿真圖。

圖6為310-311K溫度范圍內(步進為0.1K)反演溫度與真實溫度對比仿真圖。

圖7為310-311K溫度范圍內(步進為0.1K)反演溫度與真實溫度誤差仿真圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，一種基于遞推方式的實時快速磁納米溫度測量方法，包括如下步驟：

(1)將磁納米樣品放置于待測對象處。

(2)對磁納米樣品所在區域施加直流激勵和交流激勵磁場。

利用通電的亥姆霍茲線圈(或者螺線管)產生直流和交流激勵磁場：H＝H_dc+H₁sin(ω₁t)，其中，H_dc是直流磁場強度，H₁是頻率為ω₁的交流磁場強度。為了構建磁納米磁化信息中各次諧波幅值信息與溫度之間的數學模型，需要對用于描述磁納米粒子超順磁性的朗之萬函數進行離散展開。為了保證在離散展開時所引入截斷誤差對測溫精度影響較少，郎之萬函數離散展開項數一般為2-8項，同時為了獲取較高信噪比的諧波幅值信息，交流激勵磁場強度H₁一般在5Gs以下較優，而直流激勵磁場強度H_dc一般大于10Gs較優。

(3)采集直流激勵磁場和交流激勵磁場共同激勵下磁納米樣品的磁化強度信號。

采用空心式差分線圈作為磁探測傳感器實時獲取磁納米粒子樣品在交流和直流磁場共同激勵下的磁化信息。由于磁納米粒子超順磁特性，磁納米粒子樣品在直流和交流磁場共同激勵下的磁化響應信息含有豐富的諧波信息，即以頻率ω₁為基頻的各次諧波信號。由于信號較弱，需要對探測到的有用信號送入低噪聲前置放大器對其進行信號放大、濾波等預處理，最后通過數據采集卡將信號進行離散采集。

(4)提取k時刻溫度T_k、k+1時刻溫度T_k+1、k+2時刻溫度T_k+2下的磁納米樣品以頻率ω₁為基頻下的磁化強度信號的一次諧波的幅值M₁(T_k)，M₁(T_k+1)，M₁(T_k+2)，提取k時刻溫度T_k、k+1時刻溫度T_k+1、k+2時刻溫度T_k+2下的磁納米樣品以頻率ω₁為基頻下的磁化強度信號的二次諧波的幅值M₂(T_k)、M₂(T_k+1)、M₂(T_k+2)。

采用諧波提取算法將所需的各次諧波信號的幅值從磁納米磁化響應信息中提取出來。分別提取出來以頻率ω₁為基頻下的磁化強度信號一次諧波信號的幅值信息M₁(T_k)、M₁(T_k+1)、M₁(T_k+2)和二次諧波信號的幅值信息M₂(T_k)、M₂(T_k+1)、M₂(T_k+2)。k的初始值為1，分別提取溫度T₁和T₂下的磁納米樣品磁化強度信號的一次諧波信號的幅值信息M₁(T₁)、M₁(T₂)和M₁(T₃)和二次諧波信號的幅值信息M₂(T₁)、M₂(T₂)和M₂(T₂)。

(5)根據郎之萬函數建立二次諧波的幅值M₂(T)與一次諧波M₁(T)幅值之比和溫度之間的函數關系構建其導函數：

其中，T為待測對象溫度，M_s為磁納米粒子有效磁矩，k_B為波爾茲曼常數。

之后對進行泰勒展開：

其中，δ為無窮小量，T_k、T_k+1、T_k+2分別為k、k+1、k+2時刻的溫度，k＝1,2,3，…。上式整理得到溫度遞推公式：

(6)根據步驟(4)中獲取的k、k+1、k+2時刻的一次諧波和二次諧波幅值之比以及溫度值T_k和T_k+1作為步驟(5)所得到遞推公式的初始值，進而帶入步驟六獲得的遞推公式獲取到k+2時刻的磁納米溫度值T_k+2。

其中，將k、k+1、k+2時刻的一次諧波和二次諧波幅值之比以及溫度值T_k和T_k+1代入步驟(5)的溫度遞推公式即可得到k+2時刻的磁納米溫度值T_k+2。

(7)k的值加1，循環步驟(4)-(5)獲取此時到k+2時刻的磁納米溫度值T_k+2。

k的值加1，通過步驟(4)獲取k+2時刻溫度T_k+2下的磁納米樣品以頻率ω₁為基頻下的磁化強度信號的一次諧波的幅值M₁(T_k+2)和一次諧波的幅值M₂(T_k+2)，通過得到k+2時刻的一次諧波和二次諧波幅值之比即上一步得到的溫度值T_k和溫度值T_k+1代入步驟(5)的溫度遞推公式即可得到k+2時刻的磁納米溫度值T_k+2。即在步驟(6)中，通過k+1、k+2、k+3時刻的一次諧波和二次諧波幅值之比以及溫度值T_k+1和T_k+2遞推出k+3時的磁納米溫度值T_k+3。后續溫度依次類推。

上述步驟中也可以根據頻率ω₁的高次諧波(如三次，四次，五次等)與一次諧波幅值之比構建遞推公式，求解方法與上述步驟中國二次諧波幅值與一次諧波幅值之比的遞推公式一樣。

本發明利用k時刻的溫度值T_k、k+1時刻的溫度值T_k+1和諧波幅值的比來遞推k+2時刻的溫度值T_k+2，回避了需要大量計算溫度反演算法，即可以實現快速實時溫度測量，確保該方法在實際應用的可行性又提高了時間分辨率。

仿真實例：

1.仿真模型與測試結果

為了研究直流和交流磁場共同激勵下，本發明的有效性及優越性，仿真實驗分為兩組：第一組都在磁納米粒子有效磁矩Ms＝2×10^-19A/m、玻爾茲曼常數K＝1.38×10^-23、磁納米粒子濃度N＝2×10¹⁹、直流磁場強度H_dc為15高斯、交變磁場激勵頻率為175Hz、交變磁場強度H₁為2高斯，分別測試310K、311K、312K、313K、314K、315K、316K、317K、318K、319K、320K這十一個溫度點。第二組都在磁納米粒子有效磁矩Ms＝2×10^-19A/m、玻爾茲曼常數K＝1.38×10^-23、磁納米粒子濃度N＝2×10¹⁹、直流磁場強度H_dc為15高斯、交變磁場激勵頻率為175、交變磁場強度H₁為2高斯，分別測試310.0K、310.1K、310.2K、310.3K、310.4K、310.5K、310.6K、310.7K、310.8K、310.9K、311K這十一個溫度點。

2.仿真實驗結果

圖2為310K-320K溫度范圍內，一次諧波幅值與二次諧波幅值之比隨著溫度變化(步進為1K)的仿真圖。圖3為310-311K溫度范圍內，二次諧波幅值與一次諧波幅值之比隨著溫度變化(步進為0.1K)的仿真圖。圖4為310-320K溫度范圍內(步進為1K)反演溫度與真實溫度對比仿真圖。圖5為310-320K溫度范圍內(步進為1K)反演溫度與真實溫度誤差仿真圖。圖6為310-311K溫度范圍內(步進為0.1K)反演溫度與真實溫度對比仿真圖；圖7為310-311K溫度范圍內(步進為0.1K)反演溫度與真實溫度誤差仿真圖。

本發明在測量溫度過程中，測溫時間不取決于溫度反演算法所用時間，而是取決于磁化響應信息采樣時間。在溫度范圍為310K-320K、步進為1K時，磁納米磁化響應的二次諧波幅值與一次諧波幅值之比隨著溫度的升高逐漸下降，而且近似成比例下降，反演溫度與真實溫度之間誤差約0.006K；而當溫度范圍縮小為310K-311K、步進為0.1K時，磁納米磁化響應的二次諧波幅值與一次諧波幅值之比隨著溫度的升高逐漸下降，反演溫度與真實溫度之間最大誤差約7.5×10^-5K，比溫度范圍為310K-320K、步進為1K時的溫度誤差約減小了125倍。本發明測溫精度與步進有極強的相關性，在測溫精度要求較高的場合，往往步進選擇較小較優。因此，本發明可以在保證測量精度的同時，大大降低了溫度反演時間，為快速溫度測量提供了一種新的方法。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。