Способ измерения концентрации и температуры магнитных наночастиц внутри живого организма методом ядерного магнитного резонанса с применением магнитно-резонансного томографа Российский патент 2020 года по МПК A61B6/03 

Изобретение предназначено для контроля перемещения и нагрева магнитных наночастиц внутри живого организма при лечении раковых опухолей гипертермией, когда магнитные наночастицы вводят в организм, перемещают по сосудам действием внешнего неоднородного магнитного поля к больному органу-мишени и там нагревают действием переменного магнитного поля до оптимальной температуры Т₀, при которой клетки опухоли погибают, а клетки здоровых тканей не повреждаются. Очевидно, что без контроля локальной концентрации магнитных наночастиц в организме их надежное перемещение к органу-мишени осуществить невозможно, а без контроля локальной температуры магнитных наночастиц невозможно осуществить их бесконтактный нагрев вблизи органа-мишени до оптимальной температуры Т₀.

Известен способ измерения концентрации N магнитных наночастиц в растворе методом ядерного магнитного резонанса, состоящий в определении намагниченности раствора М по формуле М=(В/μ₀)-Н, где В и Н индукция и напряженность магнитного поля в растворе, и нахождении концентрации по формуле N=M/P, где Р - магнитный момент наночастицы. (Способ описан в работе Жернового А.И., Наумова В.Н., Рудакова Ю.Р. «Получение кривой намагничивания дисперсии парамагнитных наночастиц путем нахождения намагниченности и намагничивающего поля методом ЯМР» в журнале Научное приборостроение, 2009 г., том 19, №3, стр. 57-61). Способ неприменим для измерения концентрации и температуры наночастиц внутри живого организма, так как требует, чтобы раствор находился в контейнере правильной геометрической формы с прикрепленными снаружи двумя радиочастотными катушками.

Известен способ измерения температуры внутри вещества или живого организма (патент на изобретение №2485461, автор Жерновой А.И.). В этом способе для измерения температуры в вещество или в живой организм вводят сферические микроампулы, содержащие ядра водорода и ферромагнитные наночастицы, при помощи ядерно-резонансного томографа получают томографические изображения этих ампул, по отклонению формы изображений ампул от сферической находят магнитные моменты ампул. Ампулы располагаются в магнитном поле томографа, поэтому значения суммарных магнитных моментов наночастиц в ампулах определяются законом Больцмана, то есть уменьшаются с ростом температуры. Найдя по томограмме магнитный момент ампулы и зная заранее количество наночастиц в ампуле, можно определить температуру в месте ее расположения. Метод не позволяет определять концентрацию и температуру наночастиц внутри вещества или живого организма, так как наночастицы помещены в ампулы. Его можно принять в качестве прототипа.

В предлагаемом способе для измерения концентрации и температуры наночастиц в заданном участке организма методом ядерного магнитного резонанса получают томографическое изображение этого участка при помощи магнитно-резонансного томографа при двух направлениях импульсного градиента и по смещению изображения этого участка при изменении направления импульсного градиента определяют его намагниченность. Значение намагниченности участка организма зависит и от температуры и от концентрации наночастиц, поэтому для определения температуры по величине намагниченности нужно независимо определить концентрацию, а для измерения концентрации нужно учесть влияние температуры. Для независимого от температуры определения концентрации наночастиц при помощи магнитно-резонансного томографа предлагается измерять намагниченность наночастиц при индукции магнитного поля томографа, обеспечивающей насыщение кривой намагничивания, когда магнитные моменты наночастиц направлены, в основном, параллельно индукции поля томографа. При этом условии намагниченность равна концентрации наночастиц умноженной на их магнитный момент и не зависит от температуры. Таким образом, определять намагниченность ткани организма предлагается по сдвигу ее изображения на томограмме при изменении полярности импульсного градиента томографа при двух значениях внешнего магнитного поля. При небольшой индукции магнитного поля томографа на намагниченность влияют и температура и концентрация наночастиц, а при большой индукции, когда магнитные моменты большинства наночастиц по закону Больцмана при любой температуре ориентированы параллельно индукции, намагниченность не зависит от температуры, а зависит только от концентрации наночастиц. В результате, измерив в некоторой точке организма намагниченность M₁ при небольшой индукции магнитного поля томографа В₁<kT/P, и намагниченность в этой же точке М₂ при большей индукции магнитного поля томографа B₂>3kT/P, можно независимо определить концентрацию наночастиц в этой точке N=M₂/P и температуру T=PB₁/kln(M₁/M₂).

Доказательство осуществимости способа.

Зависимость намагниченности М от температуры Т и концентрации наночастиц N определяется формулой Больцмана: M=NPexp(-PB/kT), где Р - магнитный момент наночастицы, В - индукция магнитного поля томографа, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Из формулы Больцмана следует, что при малых индукциях магнитного поля намагниченность М зависит от концентрации N и от температуры Т наночастиц, а при индукции магнитного поля В, удовлетворяющей условию B>(3kT/P), экспонента в формуле Больцмана становится близкой единице и зависимость намагниченности от температуры исчезает. При этом намагниченность M≈NP. Следовательно, измерив намагниченность M₁=NPexp(-PB₁/kT) при индукции магнитного поля томографа B₁<(kT/P) и намагниченность M₂=NP при индукции магнитного поля, удовлетворяющей условию B₂>(3kT/P), можно независимо определить концентрацию наночастиц N=(M₂/P) и температуру Т=РВ₁/kln(NP/M₁)=РВ₁/kln(M₂/M₁). Экспериментально наблюдаемая зависимость сдвига изображения протоносодержащего вещества на ядерно-резонансной томограмме от его намагниченности, на примере подсолнечного масла и головного мозга продемонстрирована на стр. 76 и 79 в работе (Неронов Ю.И., Гарайбах З., Ядерный магнитный резонанс в томографии и в спектральных исследованиях тканей головного мозга. Санкт-Петербург, 2002 г.). Сдвиг изображения участка ткани на томограмме при изменении его намагниченности вызван тем, что в томографе на исследуемый участок ткани кроме основного постоянного однородного магнитного поля с индукцией В₀, которое соответствует резонансной частоте томографа, накладывается магнитное поле, имеющее импульсный градиент gradB. На томограмме в каждый момент времени фиксируется интенсивность сигнала ядерного магнитного резонанса от участка ткани, где индукции, создаваемые градиентным магнитным полем и намагниченностью М взаимно компенсируются, то есть суммарная индукция поля равна В₀. Если участок ткани имеет дополнительную положительную (парамагнитную) или отрицательную (диамагнитную) намагниченность М, то сумма создаваемого ею магнитного поля и градиентного магнитного поля томографа, будет равна нулю при другом значении градиентного магнитного поля томографа. Значит, изображение этого участка ткани на томограмме будет сдвинуто по направлению или против направления приложенного градиента на расстояние ΔX=(M(μ_o/gradB). Измерив ΔХ, можно определить M=(ΔXgradB/μ_o).

Изобретение относится к медицинской технике. Способ определения локальных концентраций и температур магнитных наночастиц внутри живого организма, который можно применять для контроля процесса транспортировки наночастиц по сосудам организма к органам-мишеням и нагрева наночастиц для угнетения новообразований при помощи гипертермии, состоит в получении томограмм выбранных участков тканей при двух значениях индукции магнитного поля томографа. По томограмме, полученной при индукции B₁<(kT/P) (Р - магнитный момент наночастицы, k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура) для каждого участка определяется намагниченность М₁, по томограмме, полученной при индукции B₂>(3kT/P), для каждого участка определяется намагниченность М₂. По намагниченности M₁ находится локальная температура наночастиц T=PB₁/kln(M₂/M₁), по намагниченности М₂ находится локальная концентрация наночастиц N=(M₂/P). Намагниченности M₁ и М₂ участка ткани определяют по сдвигам его томографического изображения при изменении знака импульсного градиента томографа.

Способ измерения локальных концентраций и температур магнитных наночастиц внутри живого организма методом ядерного магнитного резонанса с применением магнитно-резонансного томографа, включающий определение намагниченностей М выбранных участков тканей по сдвигу их томографических изображений при изменении знака импульсного градиента томографа, отличающийся тем, что для каждого участка находят две намагниченности: M₁ при индукции магнитного поля B₁<(kT/P) и М₂ при индукции магнитного поля B₂>(3kT/P), при этом концентрации наночастиц находят по формуле N=(М₂/Р), температуры находят по формуле T=PB₁/kln(M₂/M₁), где k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура, Р - магнитный момент наночастицы.