A method for measuring 2D temperature distribution in magnetic nanoparticle-mediated hyperthermia

• Project/Area Number: 18F18760
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Research Field: Measurement engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 吉田 敬 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (30380588)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): DU ZHONGZHOU 九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2018-11-09 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2020: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2018: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
• Keywords: 磁性ナノ粒子 / 温度分布計測 / 高調波磁化

Outline of Annual Research Achievements

磁性ナノ粒子を用いた癌温熱治療（磁気的ハイパーサーミア）の研究が盛んに行われている。これは、癌細胞に蓄積させた磁性ナノ粒子に交流励起磁界を印加し、磁性ナノ粒子のヒステリシス損による熱により、癌細胞のみを選択的に死滅させるものである。しかしながら、副作用が少なく（正常な細胞を死滅させることなく）、かつ高精度な治療を行うためには、リアルタイムで精度良く磁性ナノ粒子の温度をモニタリングする必要がある。これらの背景を想定し、磁性ナノ粒子の二次元温度分布計測法を開発することが本研究の目的である。磁性ナノ粒子の温度推定は、励起磁界に対する、磁性ナノ粒子の高調波磁化信号を用いて行うが、本年度行った研究成果は以下である。
はじめに、磁性ナノ粒子の高調波磁化信号に大きく関与するパラメータである、磁性ナノ粒子サンプル中の磁気モーメント分布の高精度な推定法の開発を行った。
次に、低周波数励起磁界下での磁性ナノ粒子の磁化モデルを提案した。従来は、低周波数領域のモデルとしてLangevin関数が用いられてきたが、モデルの精度が温度推定精度に影響を及ぼすため、Fokker-Planck方程式をベースとしたより厳密なモデルの構築を行った。
最後に、リアルタイムな温度推定の実現に向け、高周波励起磁界に対する磁性ナノ粒子の高調波磁化信号の測定を行い、緩和時間を無視できない高周波励起磁界下での磁性ナノ粒子の高調波磁化応答の新しいモデルを提案した。
これらの成果により、これまでにない磁性ナノ粒子を用いた高精度な温度分布推定法の開発が期待できる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Amplitude and phase of higher harmonic of magnetic nanoparticles’ magnetization under low frequency magnetic field (2020)
  • Author(s): Zhongzhou Du, Yi Sun, Dandan Wang, Oji Higashi Shi Bai, Yuki Noguchi, Keiji Enpuku, Takashi Yoshida
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 508 Pages: 166886-166886
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2020.166886
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An improved method for estimating core size distributions of magnetic nanoparticles via magnetization harmonics (2020)
  • Author(s): Yi Sun, Na Ye, Dandan Wang, Zhongzhou Du, Shi Bai, Takashi Yoshida
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 10 Issue: 9 Pages: 1623-1623
  • DOI: 10.3390/nano10091623
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Empirical expression for AC magnetization harmonics of magnetic nanoparticles under high-frequency excitation field for thermometry (2020)
  • Author(s): Zhongzhou Du, Dandan Wang, Yi Sun, Yuki Noguchi, Shi Bai, Takashi Yoshida
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 10 Issue: 12 Pages: 2506-2506
  • DOI: 10.3390/nano10122506
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Empirical expression for harmonics of AC magnetization of magnetic nanoparticles with core size distribution (2019)
  • Author(s): Zhongzhou Du, Yi Sun, Oji Higashi, Keiji Enpuku and Takashi Yoshida
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 58 Issue: 9 Pages: 97003-97003
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab3b7d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of core size distribution on magnetic nanoparticle harmonics for thermometry (2019)
  • Author(s): Zhongzhou Du, Yi Sun, Oji Higashi, Yuki Noguchi, Keiji Enpuku, Sebastian Draack, Klaas-Julian Janssen, Tamara Kahmann, Jing Zhong, Thilo Viereck , Frank Ludwig, and Takashi Yoshida
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: 1 Pages: 10904-10904
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab5c9b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase of Higher Harmonic of magnetic nanoparticles' magnetization under low frequency magnetic field (2019)
  • Author(s): Zhongzhou Du, Yi Sun, Oji Higashi, Yuya Fusayasu, Keiji Enpuku, and Takashi Yoshida
  • Organizer: The Joint European Magnetic Symposia
  • Int'l Joint Research