基于磁纳米粒子的靶向热疗温度精密测量方法及其实现技术

本项目拟研究基于磁纳米粒子（MNP）温度敏感特性的、非侵入式的在体温度测量方法及其实现技术，可望用于中、晚期癌症靶向热疗过程中的温度反馈控制。磁纳米肿瘤靶向热疗过程保持45-47度将使肿瘤细胞逐渐凋零而正常细胞安全。本项目通过对热疗过程使用的磁纳米材料的磁化率进行测量，从而获取温度信息。主要研究内容为：利用MNP的磁场调制曲线构造关于浓度与温度的方程，进而基于最小二乘法探索实现一种高次非线性超定方程组求解新方法，在同一测量过程实现温度与浓度二元信息的精确获取。主要创新点：1）揭示了中等强度磁场激励下MNP的磁场调制特性，即磁化率-温度曲线在不同磁场激励下的响应，为浓度干扰因素的分离提供可能；2）提出二元高次非线性超定方程组的求解方法，并成功应用于磁化曲线数值模型温度与浓度的求解。本项目在中晚期癌症热疗过程温度场控制或其他不透明体的非侵入温度测量方面具有巨大的应用前景，经济和社会效益显著。

磁纳米肿瘤靶向热疗过程保持45-47度将使肿瘤细胞逐渐凋零而正常细胞安全。活体（in vivo）深处如肺部或肝部的二维、三维温度测量仍然是医学科学领域的难题，是癌症热疗治疗的技术瓶颈之一。对于温度信息而言，人体的脏器、骨骼、血管或皮肤是一个天然的信息屏障，现有的光学温度成像技术难以适用。由于人体的骨骼、肌肉与血液等组织的相对磁导率约为1，而磁纳米粒子（四氧化三铁）相对磁导率最高可到2000-4000，因而活体具有磁透明的性质。非侵入式的磁学测温技术给癌症热疗与其它生物热物理研究提供了可能性。.本项目从2012年立项以来，具体对分辨率达0.1度的磁纳米活体温度成像理论与技术及其在磁纳米热疗医学、药物代谢动力学领域的应用等前瞻性科学问题进行探索与研究，凝练具有一定影响力的磁纳米活体温度成像学科方向。本项目通过测量热疗过程使用的磁纳米材料的磁化率从而获取温度信息，主要探索基于磁纳米粒子（MNP）温度敏感特性的、非侵入式的在体温度测量方法及其实现技术，用于中晚期癌症靶向热疗过程中的温度反馈控制。主要研究了以下内容：1）构造温度与浓度信息可分离的超顺磁质磁化率-温度关系模型，利用研究发现的MNP磁场调制特性构造关于浓度与温度的二元方程；2）提出了基于磁化模型的温度与浓度二元高次方程数值解法，在最小二乘法基础上探索高次非线性超定方程组求解方法，实现绝对温度与浓度二元信息的精确获取。.本项目研究发现且实证了一种精度高达0.1℃的磁纳米温度测量技术，研制了相应的原型样机。科学意义在于发现并构造了一种巧妙的温度信息与浓度信息分离磁化模型，进而采用二元高次超定方程求解的方法探讨一种稳定的、高精度的绝对温度测量技术，并采用前沿的“零磁场点”技术实现活体的空间定位与空间编码，为癌症靶向热疗温度反馈控制以及生物热物理的记录提供一种新的技术手段。.目前Web of Science中关于“磁纳米温度测量”主题词的论文(包括会议论文)与专利总数为86篇，本小组为其中的16篇。此外，依托本项目引进来外专千人P. C. Morais教授，培养了洪堡学者与JSPS博士后奖学金获得者钟景。总之，在基金委的支持下，开创了一个磁纳米温度测量的新方向与研究团队。