CN110987224B - 一种基于低场磁共振t2弛豫的磁纳米粒子温度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法，属于磁纳米材料测试技术领域。本发明将可以作为T₂造影剂的磁纳米粒子作为温度到磁场转换的媒介，进而建立T₂弛豫时间的温度特性。磁纳米粒子具有良好的温度敏感性，可以使得得到T₂弛豫时间与温度具有线性关系，通过测量T₂弛豫时间反映出温度变化，实现高精度测温。本发明利用在不同温度下测量磁纳米粒子的M‑H磁化曲线，求取磁纳米粒子感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性，并据此优选和低场磁共振仪主磁场适配的磁纳米粒子，最大化磁纳米粒子感应磁化强度的温度敏感性，实现高精度测温。

Description

一种基于低场磁共振T2弛豫的磁纳米粒子温度计算方法

技术领域

本发明属于磁纳米材料测试技术领域，更具体地，涉及一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法。

背景技术

磁学温度测量技术可穿透表面而直接探测物体内部温度，是目前生命、材料与微电子等学科领域具有广泛前景的技术前沿。磁学温度测量可望开启复杂传热结构或者复杂传热过程的物体内部温度测量(监控)新领域。然而，自百年前皮埃尔·居里提出磁学温度测量思想以来，磁学方法实现的温度测量方法及装置始终没有突破。依据居里顺磁定理，顺磁体经非接触测量得到磁化率，进而反比运算可得热力学温度T，但目前仅用于解决1K 以下超低温物理的测温难题。

如果要提高磁学测温中的信噪比，首先在于寻找比氢核、钆更为高效的温度到磁场的转换元件。近年来出现的磁纳米粒子，是纳米尺度的Fe₃O₄。磁纳米粒子既保持强磁性又在很宽温度区间表现超顺磁性，是迄今为止已知的最高效的温-磁转换材料之一。自2008年以来，先后有多个研究小组研究了利用磁纳米粒子作为温度敏感元件的单点温度测量技术，利用各种磁测试***先后实现了0.3度，0.1度测量精度。其中，钟景等人通过对磁纳米粒子在单频交流磁场激励下的磁化强度温度敏感性进行研究，提出单频交变磁场激励下的温度测量方法，但是该方法要求对磁纳米粒子感应磁化强度的高次谐波信息进行高精度测量，测量难度大。

高分辨率磁学温度测量的瓶颈在于寻求核磁与磁纳米温度测量的兼容***。在核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)中，超顺磁纳米粒子被认为可以影响横向弛豫时间(T₂)。

发明内容

针对现有技术中现有磁学温度成像中的测温精度低、线性度差、成像困难等问题，本发明提供了一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法，其目的在于利用磁纳米粒子作为T₂造影剂，在低场(磁场强度≤0.5T)磁共振***下，通过测量T₂弛豫时间，即可计算得到温度，实现高灵敏度的温度测量。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法，该方法包括以下步骤：

S1.选择不同测试温度点，选择粒径、饱和磁化强度、温度敏感性不同的备选氧化铁磁性纳米试剂，测量各测试温度点下各备选氧化铁磁性纳米试剂的M-H磁化曲线；

S2.对各离散激励磁场值μ₀H下各备选氧化铁磁性纳米粒子在不同温度 T下测量到的感应磁化强度M和温度T进行拟合，得到各备选氧化铁磁性纳米粒子的|dM/dT|-μ₀H曲线；

S3.根据所用低场磁共振仪的主磁场值，选择在该主磁场下|dM/dT|取值最大的备选氧化铁磁性纳米粒子，制备该氧化铁磁性纳米粒子水溶液；

S4.在不同测试温度点利用该低场磁共振仪测量该氧化铁磁性纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间；

S5.基于测量到的各温度下的T₂弛豫时间，拟合该氧化铁磁性纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间和温度的关系T₂＝f(T)；

S6.将测量到的磁纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间，代入反函数T＝f^-1(T₂)，得到温度估计值T_est。

优选地，所述低场磁共振仪磁场强度≤0.5T。

优选地，测试温度点的取值范围为37℃～40.4℃。

优选地，使用带有温度控制模块的MPMS磁学测量***测量备选磁纳米粒子试剂的M-H磁化曲线。

优选地，测量得到的M-H磁化曲线如下：

V＝πd³/6

其中，M表示备选磁纳米粒子试剂的感应磁化强度，N表示单位体积的磁纳米粒子个数，M_s表示单个磁纳米粒子的饱和磁化强度，V表示磁纳米粒子的体积，d表示磁纳米粒子的核心粒径，H表示激励磁场，μ₀表示真空磁导率，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度。

优选地，所述|dM/dT|-μ₀H曲线表达式如下：

优选地，采用CPMG脉冲序列进行T₂弛豫时间的测量。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明将可以作为T₂造影剂的磁纳米粒子作为温度到磁场转换的媒介，进而建立T₂弛豫时间的温度特性。磁纳米粒子具有良好的温度敏感性，可以使得得到T₂弛豫时间与温度具有线性关系，通过测量T₂弛豫时间反映出温度变化，实现高精度测温。

(2)本发明利用在不同温度下测量磁纳米粒子的M-H磁化曲线，求取磁纳米粒子感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性，并据此优选和低场磁共振仪主磁场适配的磁纳米粒子，最大化磁纳米粒子感应磁化强度的温度敏感性，实现高精度测温。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的磁纳米粒子试剂SHP-05在不同温度下的 M-H磁化曲线；

图3为本发明实施例提供的磁纳米粒子试剂SHP-10在不同温度下的 M-H磁化曲线；

图4为本发明实施例提供的磁纳米粒子试剂SHP-20在不同温度下的 M-H磁化曲线；

图5为本发明实施例提供的磁纳米粒子试剂SHP-05、SHP-10和SHP-20 的感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性，即|dM/dT|-μ₀H曲线；

图6为本发明实施例提供的使用磁共振仪minispec mq20测量得到的测温偏差；

图7为本发明实施例提供的使用磁共振仪VTMR20-010-I测量得到的测温偏差；

图8为本发明实施例提供的使用磁共振仪minispec mq60测量得到的测温偏差。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的整体构思为：利用磁纳米粒子作为T₂造影剂。磁纳米粒子具有温敏特性，温度变化会导致磁纳米粒子在磁场中的感应磁化强度发生变化，磁纳米粒子的磁化相应会影响其周围水质子的环境磁场，进而改变水质子的T₂弛豫时间。在比较小的温度范围内，温度与T₂弛豫时间具有线性关系，且T₂弛豫时间随温度的升高而升高，通过测量T₂弛豫时间，即可计算得到温度，实现高灵敏度的温度测量。

如图1所示，本发明提供了一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1.选择不同测试温度点，选择粒径、饱和磁化强度、温度敏感性不同的备选氧化铁磁性纳米试剂，测量各测试温度点下各备选氧化铁磁性纳米试剂的M-H磁化曲线。

在感兴趣的温度范围内(例如，人体温度37度附近)，选择不同测试温度点。选择粒径、饱和磁化强度、温度敏感性不同的备选氧化铁磁性纳米试剂。分别在不同样品温度下，使用可控温的磁学测量***(例如， SQUID-MPMS-XL7仪器)测量这些备选磁纳米粒子试剂的M-H磁化曲线。

测量到的M-H磁化曲线可用朗之万模型进行描述：

其中，M表示备选磁纳米粒子试剂的感应磁化强度，N表示单位体积的磁纳米粒子个数，M_s表示单个磁纳米粒子的饱和磁化强度，V表示磁纳米粒子的体积，d表示磁纳米粒子的核心粒径，片表示激励磁场，μ₀表示真空磁导率，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度。

步骤S2.对各离散激励磁场值μ₀H下各备选氧化铁磁性纳米粒子在不同温度T下测量到的感应磁化强度M和温度T进行拟合，得到各备选氧化铁磁性纳米粒子的|dM/dT|-μ₀H曲线。

针对同一激励磁场值，将备选磁纳米粒子样品在不同温度下测量的感应磁化强度M和温度T进行线性拟合，并求出其拟合曲线斜率的绝对值，即得到该磁纳米粒子的感应磁化强度的温度敏感性|dM/dT|。计算所有离散激励磁场值下的|dM/dT|，并得到|dM/dT|-μ₀H曲线，即得到此种磁纳米粒子样品感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性。

|dM/dT|-μ₀H曲线可用下式进行描述：

步骤S3.根据所用低场磁共振仪的主磁场值，选择在该主磁场下|dM/dT| 取值最大的备选氧化铁磁性纳米粒子，制备该氧化铁磁性纳米粒子水溶液。

磁纳米样品的感应磁化强度温度敏感性具有磁场依赖性，即不同激励磁场下磁纳米粒子的感应磁化强度的温度敏感性不同，而低场磁共振设备的激励磁场为固定值。所以根据这些条件，对比备选磁纳米粒子在所使用的低场磁共振设备主磁场值下的感应磁化强度温度敏感性取值，来选择进一步最适合T₂弛豫时间温度实验的磁纳米样品，并利用去离子水制备不同 Fe离子浓度的磁纳米粒子水溶液样品，以备测试。

步骤S4.在不同测试温度点利用该低场磁共振仪测量该氧化铁磁性纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间。

尽管体内T₂弛豫时间受到活体内多种背景因素的干扰，但可以通过采用较高浓度的磁纳米粒子T₂造影剂，使得造影剂成为改变T₂的主要因素。进而利用此前发现的磁纳米粒子较高的温度敏感性，研究温度通过改变磁纳米粒子感应磁化强度来影响其周边水质子T₂时间的规律性，在此条件下有望通过测量T₂弛豫时间来得到高分辨的磁学温度测量。

利用低场磁共振仪，在不同磁纳米粒子水溶液样品温度下，采用CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列进行T₂弛豫时间的测量。

步骤S5.基于测量到的各温度下的T₂弛豫时间，拟合该氧化铁磁性纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间和温度的关系T₂＝f(T)。

测量得到的不同温度下的T₂弛豫时间，利用基于最小二乘法的线性回归，得到T₂弛豫时间和温度的关系，即T₂＝f(T)。

步骤S6.将测量到的磁纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间，代入反函数T＝f ^-1(T₂)，得到温度估计值T_est。

直接对得到T₂f(T)进行反运算，得到其反函数T＝f^-1(T₂)，并将测量到的T₂弛豫时间代入反函数中，得到求出温度估计值T_est，进一步与样品设定温度对比，得到测温偏差T_est-T，以此来评价和验证该测温***的性能。

实施例

1.备选磁纳米粒子与其感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性的获得。

选用标称核心粒径分别为5nm、10nm和20nm的SHP系列磁纳米粒子试剂SHP-05、SHP-10和SHP-20(Ocean NanoTech公司)，都是以Fe₃O₄为磁芯，且在磁芯表面包覆有单层油酸和单层两亲聚合物，因此具有良好的水溶性和单分散性。

分别取一定量的上述备选磁纳米粒子试剂装满小型离心管，封存然后使用SQUID-MPMS-XL7(Quantum Design，USA)磁学测量***分别在样品温度为290K、300K、305K、310K和320K时，测量其M-H磁化曲线，其中，激励磁场的范围为0 Oe～15000Oe。磁纳米粒子试剂SHP-05、SHP-10 和SHP-20的不同温度下的M-H磁化曲线分别见图2、图3和图4所示。

针对同一激励磁场值，将备选磁纳米粒子样品在不同温度下测量的感应磁化强度M和温度T进行线性拟合，并求出其拟合曲线的斜率的绝对值，即得到|dM/dT|。计算所有离散激励磁场值下的|dM/dT|，并得到|dM/dT|-μ₀H 曲线，即得到此种磁纳米粒子样品感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性。磁纳米粒子试剂SHP-05、SHP-10和SHP-20的感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性，见图5所示。

2.根据低场磁共振仪参数及上述备选磁纳米粒子的|dM/dT|-μ₀H曲线选择用于基于低场磁共振T₂弛豫时间的高灵敏度磁纳米粒子温度测量的磁性纳米试剂。

由图5所示的感应磁化强度温度敏感性的磁场依赖性曲线可知，磁纳米试剂SHP-05的温敏特性远优于另外两种磁纳米试剂，且在0.3T的磁场下达到最佳值。另外目前，常见的商业低场磁共振分析仪的主磁场为0.5T、 0.47T等。基于仪器资源和|dM/dT|-μ₀H曲线，选择磁纳米粒子试剂SHP-05 进行如下基于低核磁共振T₂弛豫时间的磁纳米温度敏感性的实验。使用去离子水对磁纳米粒子试剂SHP-05进行不同的比例的稀释，即制备三种不同 Fe浓度的SHP-05磁纳米粒子水溶液待测样品，并利用型号为iCE 3000的原子吸收分光光度计测量测量其Fe浓度分别为32μg mL^-1、16.5μg mL^-1、 10μg mL^-1。

特别的，选用主磁场为0.47T的minispec mq20核磁共振仪(德国Bruker 公司)及主磁场为0.50T的VTMR20-010-I核磁共振仪(苏州纽迈公司)来进行 T₂弛豫时间的测量。另外还选用了主磁场为1.41T的minispec mq60核磁共振仪(德国Bruker公司)，进行中高场下的实验来更充分的对比说明。

3.利用低场磁共振仪进行不同温度下T₂弛豫时间的测定。

在不同的样品温度下(温度区间设定为37℃～40.4℃)利用CPMG脉冲序列对上述三种不同Fe浓度的SHP-05磁纳米粒子水溶液待测样品进行 T₂弛豫时间的测量。此外，为了减小测量误差，提高测量精度，验证重复性，进行连续的5次重复测量。主磁场温漂是磁共振测量误差的一个主要来源，但以上选用的三台核磁共振仪都配置有专门的主磁场恒温装置，保证实验过程中主磁场温漂的影响降至尽可能低。且三台磁共振仪都自带有变温探头，可实现对样品腔内样品的精准温控。

4.T₂弛豫时间和温度T的拟合。

根据上述测量得到的不同温度下的T₂弛豫时间，利用基于最小二乘法的线性回归得到T₂弛豫时间和温度的关系，即T₂＝f(T)：

y＝1.5666x+105.17，R²＝0.998@(10μg mL^-1，0.47T) (1)

y＝1.7163x+80.699，R²＝0.9947@(10μg mL^-1，0.50T) (2)

y＝0.476x+89.219，R²＝0.9322@(10μg mL^-1，1.41T) (3)

y＝0.9704x+75.321，R²＝0.9736@(16.5μg mL^-1，0.47T) (4)

y＝0.9473x+65.291，R²＝0.9701@(16.5μg mL^-1，0.50T) (5)

y＝0.3919x+15.446，R²＝0.9953@(16.5μg mL^-1，1.41T) (6)

y＝0.5243x+35.936，R²＝0.9986@(32μg mL^-1，0.47T) (7)

y＝0.4769x+33.258，R²＝0.8574@(32μg mL^-1，0.50T) (8)

y＝0.046x+33.608，R²＝0.4106@(32μg mL^-1，1.41T) (9)

其中，R²为线性线性回归式的相关系数，@(x，x)是各个拟合式数据获取的实验条件，如式(1)中的@(16.5μg mL^-1，0.47T)表明是利用主磁场为 0.47T的mq20磁共振仪在不同温度下测量Fe浓度为16.5μg mL^-1的SHP-05 水溶液样品得到的T₂弛豫时间数据和对应温度T的拟合式。

5.求取反函数T＝f^-1(T₂)，并得到测温偏差T_est-T。

利用拟合得到的上述T₂＝f(T)式，求出反函数T＝f^-1(T₂)，并将测量得到的T₂弛豫时间代入求出温度估计值T_est，并与样品设定温度对比，得到测温偏差T_est-T。其中使用磁共振仪minispec mq20、VTMR20-010-I和minispec mq60得到的测温偏差分别见图6、图7和图8所示。

从实际实验数据可知，低场下(0.47T、0.50T)不同浓度的磁纳米水溶液的T₂弛豫时间都与温度T成线性关系，且T₂弛豫时间随着温度T升高而升高。此外，由minispec mq60(主磁场1.41T)的实验数据可以发现，在相同温度下，c(Fe)＝16.5μg mL^-1样品和c(Fe)＝10μg mL^-1样品的T₂弛豫时间竟然几乎相当，这明显不太正常。可能原因在于，高场下磁纳米粒子更加团聚成链，导致感应磁化强度的变化不再遵循朗之万定理。这间接说明，本方法不太适应于高场核磁，而在低场核磁下来测量T₂时间成为一种最优选择。

且利用主磁场为0.47T的minispec mq20和主磁场为0.50T的 VTMR20-010-I核磁共振仪测得的温度误差很小，优于0.75℃。

实验说明，用磁纳米粒子溶液作为T₂造影剂，利用磁纳米粒子的高温度敏感性，通过测量T₂弛豫时间反映出温度变化，可以实现高精度测温。由此证明，本发明提出的一种基于低场磁共振T₂弛豫时间的高灵敏度磁纳米粒子温度测量方法的有效性。

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 (8)

1.一种基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.选择不同测试温度点，选择粒径、饱和磁化强度、温度敏感性不同的备选氧化铁磁纳米粒子试剂，测量各测试温度点下各备选氧化铁磁纳米粒子试剂的M-H磁化曲线；

S2.对各离散激励磁场的磁感应强度μ₀H下各备选氧化铁磁纳米粒子在不同温度T下测量到的感应磁化强度M和温度T进行拟合，得到各备选氧化铁磁纳米粒子的|dM/dT|-μ₀H曲线，μ₀表示真空磁导率；

S3.根据所用低场磁共振仪的主磁场的磁感应强度，选择在该主磁场下|dM/dT|取值最大的备选氧化铁磁纳米粒子，制备该氧化铁磁纳米粒子水溶液；

S4.在不同测试温度点利用该低场磁共振仪测量该氧化铁磁纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间；

S5.基于测量到的各温度下的T₂弛豫时间，拟合该氧化铁磁纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间和温度的关系T₂＝f(T)；

S6.将测量到的磁纳米粒子水溶液的T₂弛豫时间，代入反函数T＝f^-1(T₂)，得到温度估计值T_est。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低场磁共振仪的主磁场的磁感应强度≤0.5特斯拉。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测试温度点的取值范围为37℃～40.4℃。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，使用带有温度控制模块的MPMS磁学测量***测量备选氧化铁磁纳米粒子试剂的M-H磁化曲线。

5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，测量得到的M-H磁化曲线如下：

V＝πd³/6

其中，M表示备选氧化铁磁纳米粒子试剂的感应磁化强度，N表示单位体积的磁纳米粒子个数，M_s表示单个磁纳米粒子的饱和磁化强度，V表示磁纳米粒子的体积，d表示磁纳米粒子的核心粒径，H表示激励磁场的磁场强度，表示k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述|dM/dT|-μ₀H曲线表达式如下：

7.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，采用CPMG脉冲序列进行T₂弛豫时间的测量。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于低场磁共振T₂弛豫的磁纳米粒子温度计算方法。

Images