作为一种纳米科技与传统磁性材料相结合的新型材料,磁性纳米粒子在外加磁场激励下具有快速的磁性响应速度、独特的磁性特征、良好的生物相容性,较小的剩磁和矫顽力、特异性的粒子分布等特点,可以作为非病毒载体在生物医学工程领域有着广泛的应用前景。在静磁场作用下,磁性纳米粒子因磁力作用实现粒子的定位和聚集,而在交变磁场激励下,磁性纳米粒子因布朗弛豫和尼尔弛豫效应产生粒子的磁声振动和磁化,形成磁声谐波响应和非线性磁电感应。如何应用磁性纳米粒子在交变磁场激励下的非线性磁化响应和粒子振动特性进行粒子分布的检测和成像,提高成像分辨率和图像质量是磁性纳米粒子生物医学应用的关键,对肿瘤的早期检测起着至关重要的作用。本文基于磁性纳米粒子的布朗弛豫和尼尔弛豫响应,研究了在交变磁场作用下磁性纳米粒子的磁声谐波响应和非线性磁化响应及其在医学成像中的应用。以布朗弛豫为主要机制,研究了磁性纳米粒子在交变磁场激励下的磁声振动特性。首先基于磁矩的力学理论和点声源传播理论,建立磁声检测的理论模型,分析了交变磁场作用下磁性纳米粒子磁声振动的物理机制,获得了磁性纳米粒子的磁声谐波响应:然后利用激光测振仪构建了高精度磁声谐波检测系统,实验测量了交变磁场参数(磁场强度和磁场梯度分布)和粒子浓度等因素对磁性纳米粒子磁声谐波响应的影响,结果证明,在交变磁场激励下,磁性纳米粒子迅速磁化,并在平衡位置做小振幅机械振动,产生了磁声二次谐波,其响应特性与纳米粒子浓度呈现线性关系,且与磁场强度的平方以及磁场梯度成正比;最后基于磁性纳米粒子的磁声谐波响应,建立了磁声二次谐波层析成像模型,针对磁声谐波声压和图像重建的正问题和逆问题进行了数值仿真,证明了利用磁性纳米粒子的磁声二次谐波响应进行层析成像的可行性。以尼尔弛豫为主要机制,利用磁性粒子在交变磁场中的非线性磁化响应,构建了系统矩阵来重建磁性粒子的浓度分布,实现了磁性粒子成像技术。将磁性粒子的非线性磁化响应和电磁感应定律相结合,通过一对亥姆霍兹线圈的静磁场在单个方向产生零磁场点,两对不同方向的反亥姆霍兹线圈的交变磁场控制零磁场点的移动,实现零磁场点的二维扫描,获取检测点的磁电感应信号,进一步考虑接收线圈灵敏度与磁性纳米粒子浓度对接收信号的影响,利用傅里叶变换和频域矩阵展开分析了系统矩阵的影响因素,系统分析了系统矩阵频率分量的选取以及不同接收方向对重建图像的影响。研究结果表明,选取高频段信号可以优化系统矩阵分量的空间结构;通过增加频率分量可以构建线性方程组,使线性无关方程组的个数等于未知浓度的个数,实现方程的解唯一化,提高重建精度和质量;同时通过不同接收方向系统矩阵的重组,丰富系统矩阵的空间结构,提高浓度分布重建图像的质量。本文基于磁性纳米粒子的两种弛豫机制,研究了交变磁场激励下的磁声谐波响应和非线性磁化响应,探究其在磁性粒子浓度分布检测和图像重建中的应用方法,通过磁性纳米粒子的磁声二次谐波声压的磁声层析成像和非线性磁化响应的高次谐波系统矩阵的构建,实现了生物组织中粒子浓度分布的重建,为基于磁性纳米粒子的肿瘤早期诊断及其在生物医学成像领域的应用奠定了基础。