磁纳米粒子温度测量和空间分布成像方法研究

摘要

在生物医学领域，活体温度影响着基因的表达、生物酶的活性以及细胞的寿命等等，使得非侵入式精准温度测量及可视化长期以来备受关注。活体内部非侵入式可视化温度测量，不仅需要对温度精确检测，还要求对温度探针准确定位。将磁纳米粒子作为温度探针和成像示踪剂是解决活体内部非侵入式可视化温度测量问题的可行思路。因此，本文研究了磁纳米粒子的温度测量和空间分布成像方法，为肿瘤磁热疗、药物磁靶向与温控释放等临床应用中的实时、非侵入式温度监控和磁性探针定位提供解决方案。 本文针对现有磁纳米温度测量模型的缺陷，深入研究了磁纳米粒子粒径分布对其交流磁化响应的影响，提出了引入磁纳米粒子粒径分布的交流温度测量优化模型，发现模型只受粒径的六阶矩或十二阶矩的影响而与具体的分布无关，并通过实验验证了该优化模型的正确性。为提高温度测量精度，将交流温度测量模型推广至交直流磁场激励条件下，提出新的交直流温度测量模型，并通过对有效信噪比和温度灵敏度建模，研究了磁纳米粒子磁学特性和激励磁场强度对温度测量精度的影响，发现采用交直流温度测量模型至少可将有效信噪比提高至1.65倍。此外，仿真和实验结果表明温度测量精度随饱和磁矩的增大逐渐提高，随直流磁场强度的增大先提高到最佳精度再逐渐变差。 为实现磁纳米探针在活体内部实时分布的可视化，对磁纳米粒子浓度空间分布成像（MPI）展开了研究。针对Harmonic-space MPI迭代图像重建算法残差振荡可能导致迭代步数增加图像质量反而变差的问题，本文把引入残差光滑技术的CGS迭代法用于Harmonic-space MPI图像重建。针对x-space MPI图像退化的问题，本文采用Lucy-Richardson反卷积算法对模糊图像进行复原。研究了MPI成像的性能指标，建立了MPI信噪比估算优化模型，发现MPI信噪比随磁场梯度的增大将先增大再趋于稳定，而随扫描速度的增大将先增大再减小。 为降低弛豫作用对图像质量的影响以及为肿瘤局部磁热疗提供更准确的加热效率分布图，本文基于现有的MPI浓度成像理论，提出了磁纳米粒子交流磁化率成像（MPSI）方法以及相应的交流磁化率估计算法。对MPSI成像的空间分辨率、信号带宽以及信噪比进行建模和分析，发现：（1）采用交流磁化率虚部成像可抑制弛豫作用的影响，提高图像的空间分辨率；（2）MPSI的信号带宽远小于MPI的信号带宽。为验证MPSI成像方法的正确性，本文设计并搭建了一套二维MPSI成像系统。在此基础上，为提高系统的测量灵敏度和空间分辨率，采用了谐振测量电路，并利用三段式差分测量线圈和背景噪声消除法来抑制直接馈通干扰。通过对谐振测量电路的频响函数建模，定量研究了谐振测量电路的带宽和相移对MPSI空间分辨率的影响。最后，实验证明该成像系统的空间分辨率优于2.5mm，测量灵敏度可达2mmol-Fe/L，成像速度为1fps。

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摘 要

Abstract

目 录

1. 绪论

1.1. 磁纳米粒子的生物医学应用

1.1.1. 药物磁靶向与释放

1.1.2. 细胞磁标记与追踪

1.1.3. 肿瘤磁热疗与热消融

1.2. 问题提出与研究意义

1.3. 国内外研究现状

1.3.1. 磁纳米温度测量技术的研究现状

1.3.2. 磁纳米浓度成像技术的研究现状

1.3.3. 磁纳米温度成像技术的研究现状

1.4. 论文课题的来源

1.5. 论文主要内容和结构安排

2. 粒径分布对磁纳米温度测量模型的影响研究

2.1. 引言

2.2. 磁纳米粒子的磁温特性

2.2.1. 超顺磁性与温敏特性

2.2.2. 弛豫现象与交流磁化响应

2.3. 粒径分布与交流磁化响应

2.3.1. 单分散与多分散磁流体磁化响应

2.3.2. 粒径分布对谐波幅值的影响

2.4. 磁纳米交流测温优化模型

2.4.1. 正弦波磁纳米交流测温优化模型

2.4.2. 三角波磁纳米交流测温优化模型

2.5. 温度测量系统与实验分析

2.5.1. 磁纳米温度测量系统

2.5.2. 磁纳米粒子磁化响应

2.5.3. 温度测量结果分析

2.5.4. 布洛赫定律实验验证

2.6. 本章小结

3. 磁纳米温度计抗噪性能及温度灵敏度研究

3.1. 引言

3.2. 交直流磁场下的温度测量

3.2.1. 直流磁场对交流磁化响应的影响

3.2.2. 交直流磁场下的温度测量模型

3.3. 抗噪性能分析

3.3.1. 谐波信噪比

3.3.2. 有效信噪比

3.4. 温度灵敏度分析

3.4.1. 绝对温度灵敏度

3.4.2. 相对温度灵敏度

3.5. 测温性能实验分析

3.5.1. 样品的饱和磁矩

3.5.2. 抗噪性能比较

3.5.3. 温度灵敏度比较

3.6. 本章小结

4. 磁纳米粒子浓度空间分布成像模型研究

4.1. 引言

4.2. 磁纳米粒子分布与肿瘤局部磁热疗

4.3. Harmonic-space MPI成像模型研究

4.3.1. Harmonic-space MPI基本原理

4.3.2. 直接重建算法

4.3.3. 迭代重建算法

4.3.4. 迭代算法优化

4.3.5. Harmonic-space MPI仿真分析

4.4. X-space MPI成像模型研究

4.4.1. 多维磁场下的时域信号

4.4.2. X-space MPI图像重建

4.4.3. 图像去模糊算法

4.4.4. X-space MPI仿真分析

4.5. MPI成像性能指标分析

4.5.1. 视场与扫描轨迹

4.5.2. 空间分辨率

4.5.3. 信号带宽

4.5.4. 信噪比

4.6. 本章小结

5. 磁纳米粒子交流磁化率成像方法研究

5.1. 引言

5.2. 磁纳米交流磁化率成像原理

5.2.1. 磁纳米粒子交流磁化率

5.2.2. 磁纳米交流磁化率成像

5.2.3. 实时磁纳米交流磁化率成像

5.3. 空间交流磁化率估计方法

5.3.1. 磁化率直接估计算法

5.3.2. 磁化率迭代估计算法

5.3.3. 磁化率估计算法对比

5.4. MPSI成像性能指标分析

5.4.1. 视场与扫描轨迹

5.4.2. 空间分辨率

5.4.3. 带宽与信噪比

5.5. 成像模型性能对比

5.5.1. 抗噪性能

5.5.2. 弛豫影响

5.5.3. 边界失真

5.6. 本章小结

6. 磁纳米粒子成像系统设计及实验分析

6.1. 引言

6.2. 稳定励磁系统

6.2.1. 励磁装置ANSYS设计

6.2.2. 磁场稳定性设计

6.2.3. 励磁系统性能测试

6.3. 高灵敏度弱磁检测系统

6.3.1. 差分测量线圈设计

6.3.2. 直接馈通干扰消除

6.3.3. 谐振测量电路设计

6.4. 测量电路对MPSI的影响

6.4.1. 带宽对MPSI的影响

6.4.2. 相移对MPSI的影响

6.5. 系统成像性能实验分析

6.5.1. 空间分辨率

6.5.2. 灵敏度与线性度

6.5.3. 快速MPSI成像

6.5.4. 相移补偿实验分析

6.6. 本章小结

7. 总结与展望

7.1. 研究工作总结

7.2. 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 学术论文和学位论文的关系

附录3 攻读博士期间授权和申请的发明专利

附录4 攻读博士期间参加的国际会议和学术交流