磁纳米热疗中2D靶区温度分布实时精密测量方法

The real-time and accurate measurement of temperature distribution of cancerous area in the process of magnetic nanoparticle-mediated hyperthermia, which is the basic condition for the precise application and control of thermal dose, can improve the effect of magnetic nanoparticle-mediated hyperthermia and selectively induces apoptosis in tumor cells while avoiding damage to normal. It is cutting-edge and interdisciplinary issues in biomedicine, information science and nanotechnology. The project intends to establish the mathematic model of the temperature measurement by studying the relationship between magnetization of magnetic nanoparticles and temperature, explore functional relation between the 2D spatial magnetic field distribution and the magnetic field strength utilizing the linear gradient magnetic field, build spatial position encoding by dynamically scanning 2D target area with field free point and establish 2D temperature distribution reconstruct model based on Green function , develop a non-invasive, real-time and accurate method of 2D target area temperature distribution measurement. The implementation of the project expected to overcome the technical bottleneck that temperature distribution on 2D target area cannot be measured accurately in real-time in magnetic nanoparticle-mediated hyperthermia, and provides a technical support for the precise magnetic nanoparticle-mediated hyperthermia and conformal hyperthermia. It has important scientific significance and application value.

肿瘤癌变区温度分布实时精密测量是精准施加与控制热剂量、提高磁纳米热疗疗效和最大限度保留正常细胞的同时选择性诱导肿瘤细胞凋亡的前提和基础，属于生物医学、信息和纳米技术等科学领域前沿交叉问题。本项目拟在前期研究基础上，依据超顺磁理论研究混合磁场激励下，磁纳米粒子磁化响应谐波幅值与温度、磁场强度之间耦合关系，构建温度计算模型；采用线性梯度磁场和零磁场点扫描技术对2D靶区进行空间位置信息编码，建立2D靶区磁场分布函数，研究谐波幅值与温度、位置之间的耦合关系，基于格林函数构建2D靶区温度分布重建模型；设计正则化算法，计算并重建2D靶区温度分布，探索一种非侵入式、实时的精密2D靶区温度分布测量方法。项目的实施有望攻克磁纳米热疗中2D靶区温度分布无法实时准确测量的技术瓶颈，为提高磁纳米热疗疗效、制定“精细化”治疗和“适形”手术规划等提供一种可行的技术支撑，具有重要的科学意义与应用价值。

磁纳米肿瘤热疗需要在热疗窗口保持45-47度，将肿瘤癌症细胞杀死而正常细胞安全。活体深处如肺部或肝部的2D温度分布信息测量仍然是生物医学领域面临的难题，也是肿瘤癌症热疗治疗技术面临的技术瓶颈之一。肌体内脏器管、骨骼、血管和皮肤等对于温度信息测量而言是一个天然的屏障，肌体组织的不透明性阻止体内温度信息向外界辐射。磁性纳米粒子是一种纳米尺度的超顺磁物质，其磁矩比分子级别的响应信息高出几个数量级以上，显著的优势在于“磁透明”，即人体组织（如骨骼，肌肉，血管和内脏器官）的相对磁导率近似等于1，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。.本项目研究磁化响应谐波幅值与温度、磁场强度之间的耦合关系；通过磁场扫描技术建立磁场强度与2D靶区位置信息之间的函数关系，利用磁动力学研究磁化响应谐波幅值与温度、2D靶区位置信息之间的耦合关系，空心线圈（空心线圈的几何中心轴位于2D测量平面的法线方向）感知的信息是2D测量区域内每个像素点上产生的磁化响应信息与权重系数的乘积累加和，权重系数取决于每个像素点与空心线圈之间的距离。从物理学角度分析，每个像素点上产生磁化响应信息，即为“源”，而空心线圈感知磁化响应信息，即为“场”，描述源与场之间的关系构建格林函数，构建温度分布重建模型；利用先验信息对模型病态性进行约束，设计迭代正则化方算法，计算并重建温度分布。.本项目研究并提出一种非侵入式2D温度分布信息检测方法，空间分辨率2mm*2mm，温度误差3℃，并成功在多片式大功率LED和锂电池包温度实验中取得良好的实验验证，能够实时准确测量肿瘤癌变区温度分布信息，为肿瘤癌症治疗方案提供精准施加与控制热剂量、最大限度保留正常细胞的同时选择性诱导肿瘤细胞凋亡，提高磁纳米热疗疗效。