基于超顺磁性纳米粒子的无创测温方法研究

There are 3,120,000 new cancer patients in China every year.Following surgery, radiation and chemotherapy, a novel "green" therapy has been proposed. But the target temperature field noninvasive measurement in the process of magnetic nanoparticles targeted hyperthermia has become technical bottleneck restricting the target hyperthermia effect. The project will study the information perception and processing methods of temperature field in hyperthermia target by temperature-sensitive characteristics of superparamagnetic nanoparticles.Firstly, the model of relationship among magnetic fluid temperature, concentration, and magnetic susceptibility will be create from the perspective of magnetic dynamics. Secondly,the heat conduction mechanism will be explored, and thermal conductivity modelin target will be established by the use of bio-heat conduction theory analysis. Finally,algorithms of magnetization model and heat conduction model will be designed using particle swarm optimization technique. The implementation of the project will be expected to explore a superparamagnetic nanoparticle-based non-invasive, in vivo methods of the target temperature field information perception and processing, and will improve the the malignancy magnetic nanoparticles targeted hyperthermia accuracy to obtain a better therapeutic effect.

我国每年新发恶性肿瘤人数达312万，磁性纳米粒子靶向热疗成为继手术、放疗和化疗之后的一种全新的"绿色"疗法，但治疗过程中靶区温度场信息的无创、精确的获取一直是制约靶向热疗效果的技术瓶颈。本项目拟利用超顺磁性纳米粒子的温度敏感特性研究磁性纳米粒子靶向热疗中靶区温度场的信息感知及处理方法。从磁动力学角度研究磁流体温度、浓度与磁化率的关系，构建交流激励下磁流体的温度、浓度二元信息磁化模型；利用生物热传导理论分析靶区的热传导机理，建立靶区热传导可计算模型；采用微粒群优化技术针对磁化模型及热传导模型设计出具有鲁棒性、实时性的求解算法，实现癌症热疗靶区温度场信息的获取。项目的实施将有望探索一种基于超顺磁性纳米粒子的无创、在体的靶区温度场信息感知与处理的方法，有助于提高恶性肿瘤磁性纳米粒子靶向热疗技术的精确性，以期获得更好的治疗效果。

针对磁性纳米粒子靶向热疗过程中存在的无创温度信息获取困难的问题，本项目利用靶向热疗中制热介质——磁性纳米粒子作为温度感知器件，利用磁性纳米粒子的磁化特性与温度信息的相关性，通过磁性纳米粒子相关磁化特性的获取进而得到热疗靶区的温度信息。项目的主要研究内容包括确定交流激励下磁流体的温度与浓度二元信息磁化模型、构建靶区肌体组织生物热传导模型及相应可计算模型的算法分析三部分内容。.根据热动力学和磁性纳米粒子磁化理论，在居里温度以下，施加交变激励的磁纳米粒子的磁化过程服从Langevin函数，通过研究发现其交变磁化率与温度、浓度之间服从磁化率、温度的倒数关系，利用这一关系我们得到磁纳米粒子流体在交变磁场激励下磁化率与温度、浓度的关系模型，从而确定交变激励下磁性纳米粒子的磁化温度机制，建立了相应的磁化温度关系矩阵。在血管树模拟研究的基础上，对传统Pennes方程只表述组织中均匀温度分布的形式，运用混合生物热传导模型并采用考虑血管和组织间局部传热的血液灌注率，改进了传统的Pennes生物传热方程。实验结果表明，改进后的Pennes方程对传统Pennes方程的使用进行了细化，并且血液灌注项不再代表血液从动脉血温度随即变成组织温度所需要的换热量，而是代表血管与组织之间的局部换热量，能够显示出血管树对组织区域温度分布的局部影响。对磁化温度模型利用Taylor展开可以得到在交流激励下磁化模型的磁化率与温度、浓度关系的近似多项式，变换不同的交变激励强度则可以得到不同的响应多项式，从而构建一组二元超定方程组。利用粒子群对所构建的超定方程进行了初值的求解，再利用SVD及Jacobi求解方法进行精确值求解。.项目组提出了利用k、k+1时刻的温度值与谐波幅值的之比递推得到k+2时刻的温度值可以温度反演算法的计算时间和空间复杂度，实现快速实时温度测量，确保该方法在实际应用的可行性又提高了时间分辨率，为测温方法的应用奠定了技术基础。