基于磁化率虚部的磁纳米温度成像方法与关键技术研究

This project intends to explore a non-invasive in vivo precise temperature imaging methods with resolution of up to 0.1 ℃, which enable non-invasive , quantitative and real-time assessment of the metabolism of human organs , biochemical reactions, neural activity. The existing contact or non-contact temperature measurement method is valid only for the surface or superficial temperature measurement with security and opaque constraints in living body. To solve this problem, our project intend to explore the two-dimensional or three-dimensional magnetic scanning imaging with integration of magnetic nano-harmonic measurement technology based on our previous achievements in temperature measurement by using magnetic nanoparticles and the fact that magnetic susceptibility can be remotely achieved. This system will lead to a new species in vivo temperature imaging equipment. Key scientific issues to be addressed are: 1) Research temperature the mathematical model based on the magnetization of magnetic nanoparticles under strong alternating magnetic field and gradient; 2 ) research on the bottlenecks in the rapid and high-precision temperature imaging using magnetic nanoparticles. The main innovations: 1 ) design of a new bias DC field excitation waveform with a strong gradient background, which make it possible for simultaneously measuring of multiple harmonics of magnetic nanoparticles; 2 ) pathological features Nano- temperature magnetic imaging model and its optimal solution. The key technology achieved in this project will realize a new scientific instruments and medical equipment with independent Intellectual property, which finally lead to social and economic benefits.

本项目拟探索一种分辨力0.1℃的实时温度成像技术，将可无创、定量地评估发生在活体内器官或细胞层面的热物理、热化学过程或神经活动。在安全性和光学不透明性约束下，磁纳米粒子试剂作为温度敏感元件监测发生在活体内的热过程，具有“磁透明”的优势。本申请书在前期磁纳米温度测量技术基础上，研制一种基于二维梯度场的磁纳米温度成像技术。拟解决的科学问题为：1）探索成像梯度场背景(干扰)下的磁纳米粒子温度传感的可行性及其数学模型；2）高精度、快速磁纳米温度成像中的弱磁测量电子学与快速测量信息学瓶颈问题。主要创新：1）在磁弛豫效应基础上，探索并提出了一种基于磁化率一次、三次谐波虚部的温度测量模型；2）研制了一种消除激励信号干扰的交流磁化率探测机械结构与电子学系统，可望显著提高交流磁化过程虚部信号测量的信噪比。本项目的研究将有助于实现一种0.1℃的、亚毫米分辨率的实时温度成像技术，经济与社会效益显著。

0.1℃分辨率细胞原位温度/代谢成像装置，将为探索生命活动中物质与能量交换奥秘提供从细胞到器官、到生命个体的跨尺度视角，从而将宏观生物物理、药理、病理关联到微观细胞。.本项目2015年立项以来，项目主持人深入探索0.1℃分辨率磁学测温问题。现已明确，MNP是迄今已知的、最高效的温-磁转换材料之一。主要研究内容如下：1）基于磁纳米粒子磁学特性与温度、浓度的Langevin物理模型，实现了多种磁激励波形激励的温度测试方法，刷新了磁学温度测量的新纪录，测量精度从0.54℃提高到0.05℃，突破Nature、Science杂志近10年10余篇报道的核磁共振非接触测温最高水平1℃。首次实现活体内高精度温度测量，被国际权威期刊MEAS SCI TECHNOL评为Highlight亮点论文。2）针对超快传热前沿探索，阐明探测线圈常数与时间分辨率、灵敏度间的竞争关系，发明了超快温度测量方法及系统。实现最快4.23纳秒脉冲的测量。激光脉冲加热测量实验，首次发现纳秒热波信号，证实极端条件下热的波动传递现象，支撑传热学热质理论的假设。.此外，本项目团队2016年成功研制国内首台2.5毫米分辨率磁性颗粒成像装置。UC Berkeley的P. Goodwill博士在MAGMEET 2018邀请报告的“History of MPI”提到，国际上10家机构掌握并成功研制MPI设备，项目主持人团队（Huazhong（China））是其中一家。.项目团队累计授权发明专利21项，包括美国专利5项、中国发明专利16项。 “磁纳米温度测量”主题成果占美国专利库总计7项中的5项，在“Web of Science”或中国发明专利库也排名第一。截止到2019年12月，Web of Science共205条“磁纳米温度测量”主题检索，本团队占42条。作者前五（刘文中、钟景、杜中州、JB Weaver，PC Morais）中的三人来自项目主持人团队。获湖北技术发明一等奖。德意志国家科学院院士、德国PTB院长J. Ullrich评价申请人团队研究成果填补了在体温度测量的空白。此外，磁性颗粒成像研讨会创始主席、德国院士Buzug评价本项目团队“毫无疑问是本领域充满创新精神的领先者”。