Способ измерения температуры внутри вещества или живого организма

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для дистанционного измерения локальной температуры внутри вещества или живого организма. Заявлен способ измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства намагниченности однодоменных ферромагнитных наночастиц из термомагнитных материалов с температурами Кюри в диапазоне изменения измеряемой температуры. Определение значений температуры и локализацию точки ее измерения идентифицируют по положению и форме изображения чувствительного элемента на ЯМР-томограмме. Технический результат: расширение функциональных возможностей.

 

Изобретение предназначается для дистанционного измерения локальной температуры внутри вещества или живого организма и может быть использовано в технике для контроля интенсивности происходящих внутри вещества процессов и в медицине для обнаружения воспалений и новообразований в органах и тканях организма.

Известен способ измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства ядерной намагниченности дисперсии наночастиц диамагнитного металла (платина, медь), измеряемой по частоте ядерного магнитного резонанса (ЯМР), регистрируемого радиочастотной катушкой, расположенной непосредственно в точке измерения температуры [Спр. Температурные измерения, Киев, Наукова думка, 1989, 703 с.]. Этот способ не может применяться для дистанционного измерения температуры, так как вследствие малого значения магнитных моментов ядер металла при удалении регистрирующей радиочастотной катушки от образца, расположенного в месте измерения температуры, амплитуда сигнала ЯМР становится недостаточной для измерения частоты ЯМР металла.

Известен способ измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства намагниченности суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц, определяемой по различию частот сигнала ЯМР, регистрируемого от протонов растворителя в двух радиочастотных катушках, расположенных в разных геометрических точках образца [А.И.Жерновой, заявка на патент РФ №2011110201 от 17.03.2011]. Этот способ неприменим для измерения локальной температуры внутри вещества, так как при измерении частот ЯМР образец и регистрирующие радиочастотные катушки должны иметь определенную ориентацию относительно направления индукции внешнего магнитного поля, что трудно обеспечить при нахождении образца и катушек внутри исследуемого вещества или живого организма. Этот способ может быть принят за прототип.

Задачей предлагаемого технического решения является дистанционное измерение локальной температуры внутри вещества или живого организма. Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства намагниченности суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц, регистрируемой методом ЯМР, согласно изобретению применяют наночастицы, сделанные из термомагнитных материалов, имеющих точки Кюри в области измеряемых температур, а значение измеряемой температуры и локализацию точки ее измерения определяют по положению и форме изображения чувствительного элемента (микросферы, заполненной термометрическим веществом) на ЯМР-томограмме исследуемого участка вещества или живого организма.

В предлагаемом способе термометрическое вещество представляет собой суспензию однодоменных ферромагнитных наночастиц, намагниченность которой зависит от температуры Т. Для увеличения относительного изменения намагниченности при заданном изменении температуры в предлагаемом способе в качестве ферромагнитных наночастиц предлагается использовать однодоменные наночастицы из термомагнитных материалов с температурами Кюри в диапазоне изменения измеряемых температур. При этом с увеличением температуры суспензии ее намагниченность уменьшается не только вследствие действия закона Ланжевена, но и вследствие уменьшения собственной намагниченности нананочастиц, вызванного приближением температуры к их точке Кюри. В результате относительное изменение намагниченности термометрического вещества в десятки раз больше относительного изменения измеряемой температуры, что повышает точность измерений. Для локализции точки измерения температуры термометрическое вещество предлагается помещать в сферические микроампулы, что возможно, так как в отличие от прототипа, в предлагаемом способе форма и ориентация образца не имеют принципиального значения. Для проведения дистанционных измерений температуры внутри вещества или живого организма чувствительные элементы (микроампулы с термометрическим веществом) внедряются в предполагаемые точки измерения, а исследуемый участок вещества или живого организма помещается в катушку ЯМР томографа. На томограмме исследуемого участка вещества или живого организма чувствительные элементы (микроампулы, содержащие термометрическое вещество) дают изображения в виде светлых пятен, вызванных сигналом ЯМР от протонов жидкой фазы суспензии, однако эти изображения сдвинуты относительно изображений соседних фрагментов исследуемого вещества и тканей организма на расстояния, равные отношению намагниченности суспензии к градиенту магнитного поля томографа, осуществляющему частотное кодирование ЯМР сигналов, а в тех местах томограммы, где должны быть изображения микроампул с термометрическим веществом, эти изображения отсутствует, то есть имеются темные пятна. По положению темных пятен относительно изображений соседних фрагментов вещества или тканей живого организма можно определять локализации точек измерения температуры, а по расстояниям от этих темных пятен до близлежащих светлых пятен, вызванных сигналом ЯМР от растворителя термометрического вещества, можно определять температуры в точках расположения микроампул с термометрическим веществом.

Доказательство осуществимости предлагаемого способа

Уменьшение намагниченности вещества с увеличением температуры - известный факт. Для суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц это уменьшение определяется законом Ланжавена [А.И.Жерновой, Ю.Р.Рудаков, С.В.Дьяченко. Научное приборостроение, 2011], а если в качестве материала наночастиц использовать термомагнитный ферромагнетик, то намагниченность с увеличением температуры вблизи температуры Кюри уменьшается значительно быстрее, стремясь к нулю. Например, у сплава Fe-Ni с относительной концентрацией Fe 30% намагниченность при повышении температуры от 20 до 40°С уменьшается на 150%. [Справочник: Материалы в приборостроении и автоматике. Под ред. Ю.М.Пятина, М.: Ммашиностроение, 1982, 528 с.]. Сдвиг на томограмме изображений участков вещества, вызванный отличием их намагниченности от намагниченности окружающего фона, также известен. Например, в работе Неронова Ю.И., Гарайбеха З. «ЯМР в томографии и спектральных исследованиях тканей головного мозга». СПб, 2002 г. приведены томограммы образца воды, содержащего пробирки, заполненные подсолнечным маслом, на которой виден сдвиг изображений содержимого пробирок, вызванный отличием магнитных восприимчивостей масла и воды.

Способ измерения температуры с использованием в качестве термометрического свойства намагниченности однодоменных ферромагнитных наночастиц, определяемой методом ЯМР, отличающийся тем, что наночастицы сделаны из термомагнитных веществ с температурами Кюри в диапазоне измеряемых температур, а значение измеряемой температуры и локализацию точки ее измерения определяют по положению и форме изображения чувствительного элемента на ЯМР томограмме.